Проект. Киберцветок. Применение обучающего электронного конструктора на базе Arduino для уроков углублённого курса физики в 10 классах

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

средняя общеобразовательная школа № 2

Проект

Киберцветок. Применение обучающего электронного конструктора на базе Arduino для уроков углублённого курса физики в 10 классах

Работу выполнила:

Ученица 10 «А» класса

Федосеева Ксения Сергеевна

Руководитель:

учитель физики

Перевалова Наталья Васильевна

Березники, 2022

Паспорт проекта 2

Описание проекта 4

Теоретическая часть 5

2.1. Подготовительный этап 7

2.2. Основной этап 7

Заключение 14

Список литературы 15

Приложение №1 16

После окончания школы я планирую продолжить образование в техническом ВУЗе, и мне необходимо хорошее знание такой науки, как физика. Наверное, все сейчас понимают, что мы запоминаем информацию, которая нам интересна, которая нас чем-либо увлекает. Учёными уже давно доказано, что информация лучше запоминается на каком-либо примере, опыте, эксперименте. Но на уроках физики в нашей школе не так много проходят занятий с какими-либо экспериментами.

Изучая просторы Интернета и методическую литературу, я пришла к выводу, что нужно дополнить, ряд тех уроков физики на которых представляются опыты и эксперименты.

Цель проекта:

Использование электронной базыArduino для разработки экспериментальных заданий с помощью электронного конструктора «Киберцветок».

Задачи проекта:

• Изучить теорию по проекту;

• Собрать конструктор и определить его возможности;

• Разработать эксперименты для уроков профильной физики;

• Разработать инструкцию по работе с данным конструктором.

Продукт проекта:

Инструкции и лабораторные работы по сборке конструкций из электронного обучающего констуктора на базе Arduino, «Киберцветок»

Arduino – это небольшая плата с собственным процессором и памятью. На плате есть пара десятков контактов, к которым можно подключать всевозможные компоненты: светодиоды, датчики, моторы, роутеры, чайники, магнитные дверные замки и всё то, что работает от электричества.

ArduinoUno – это сердце компьютера, в котором нет конечного, определённого набора деталей, и нет ограничений в разнообразии того, что можно собрать.

Киберцветок – это пластиковая печать, которая изготовлена на 3Dпринтере, при помощи неё мы с лёгкостью можем определить угол поворота.

Комплектация набора:

1. 6 светодиодов 5В

2. 10 резисторов 1МОм

3. ArduinoUnoR3

4. Кабель USB-B

5. Пьезодинамик

6. 2 фоторезистора 40w

7. Макетная плата 400 точек

8. Цветок PLA

9. Стойка для сервопривода

10. Сервопривод SG-90

11. Редукторы

12. Соединительныепровода

Приложение для работы с конструктором «mBlock»:

Это приложение разработано для написания программ различной сложности. Такжеонопозволяет:

● Сделать спрайтовый ход;

● Добавить звуки и костюмы (описание);

● Программировать устройства;

● Включение устройства для взаимодействия со спрайтом;

● Сделайте свою программу более понятной обычным пользователям.

Практическая часть

Ознакомилась на интернет-сайтах с информацией по созданиям различных моделей на конструкторе «Киберцветок» на базе Arduino и написанием программ для каждой из моделей конструктора. Изучила представленные сборки конструктора и познакомилась с правилами построения программ для них.

Для создания определённых моделей я остановилась на наиболее простых и среднего уровня сложности. Именно эти виды построения конструктора, по моему мнению, являются доступными для самостоятельного построения программ для этих моделей.

Ещё на этапе подготовки был закуплен обучающий электронный конструктор «Киберцветок» на базе Arduinoучителем физики – Переваловой Натальей Васильевной.

• Обучающийэлектронный конструктор «Киберцветок» на базе Arduino:

Детали, составляющие этот конструктор: светодиодов 5В – 6 шт., резисторов 1Мом – 10 шт., ArduinoUno R3 – 1 шт., Кабель USB-B – 1 шт., Пьезодинамик – 1 шт., фоторезистора 40w – 2 шт., Макетная плата состоящая из 400 точек, Цветок PLA – 1шт., Стойка для сервопривода – 1 шт., Сервопривод SG-90 – 1 шт., Редукторы– 4 шт., Соединительные провода – 20 шт., шурупы – 3 шт.

Выполнение основного этапа я начала с установки приложения «mBlock» на компьютер с заранее установленной системой Windows.

Следующим шагом былонастройка приложения для работы именно с конструктором «Киберцветок».

Эксперимент №1. «Маячок и светодиод».

Инструкция по сборке: Светодиод подключить в макетную плату длинной ножкой в точку (а; 29), а короткую в (а; 30). Взять два провода, например, синий и зелёный. Один конец зелёного провода подключить в макетную плату в точку (е; 29), а второй конец провода в электронную плату ArduinoUnoв паз (2). Один конец синего провода вставить в паз (GND), а другой в макетную плату (е; 30).Кабель вставить в специальный разъём на электронной плате ArduinoUno, а другим концом кабеля подключиться к компьютеру.Написать такую же программу в приложении «mBlock», которая указана ниже и запустить программу.

Цель работы: Определение частоты и периода подачи светового сигнала с помощью светодиода.

Приборы и материалы: компьютер (ноутбук), макетная плата, электронная плата ArduinoUno, светодиод, соединяющие провода.

Ход работы:

1. Собрать модель конструктора «Маячок и светодиод» по инструкции.

2. Написать программу, по которой мы сможем менять время задержки светового сигнала. Время – t.

3. Определите на какое одинаковое количество раз подачи светового сигнала будете засекать время. Количество раз подачи светового сигнала – N.

4. Измерьте времяt, потраченное на отсчёт миганий светодиода.

5. Рассчитайте частоту колебаний n при помощи формулы: n = .

6. Рассчитайте период колебаний T при помощи формулы: T = .

T – период, t – время,n–частота колебаний, N– количество повторений.

Вывод:Выполняя лабораторную работу, я научилась определятьпериод мигания и частоту колебаний. Для этого использовала формулы:

T = – определение периода колебаний

n = – определение частоты колебаний.

Опыт №2. «Киберцветок».

Инструкция по сборке:Сервопривод SG90 установить в специальную для него подставку, сверху на сервопривод установить цветок PLA. К проводам сервопривода подключить три соединительных провода. Провод, который идёт от жёлтого провода вставить на электронной плате ArduinoUno в паз (12). Провод, идущий от красного подключить в паз (5V). И провод, идущий от коричневого провода поставить в паз (GND).Кабель вставить в специальный разъём на электронной плате ArduinoUno, а другим концом кабеля подключиться к компьютеру. Написать такую же программу в приложении«mBlock», которая указана ниже и запустить программу.

Цель работы: Определение скорости поворотов цветка с известным периодом.

П риборы и материалы: компьютер (ноутбук), электронная плата ArduinoUno,цветок PLA, соединяющие провода, сервопривод SG90, стойка для сервопривода.

v – скорость, Т – время (в миллисекундах), r–радиус, - математическая постоянная.

Ход работы:

1. Собрать модель конструктора «Киберцветок» по инструкции.

2. Написать программу, по которой мы сможем менять время (в миллисекундах) задержки светового сигнала. Время – t.

3. Измерить диаметр цветка и разделить его на 2, так мы получим радиус r. Радиус – r.

4. Рассчитать по формуле скоростьv поворота: v = .

Вывод:Выполняя лабораторную работу, я научилась определять скорость поворота при заданном времени и известном радиусе 3Dпечати. Для этого использовала формулу:

v = –скорость при известном радиусе.

Эксперимент №3. «Пьезопищалка».

Инструкция по сборке:Светодиод подключить в макетную плату длинной ножкой в точку (а; 29), а короткую в (а; 30). Пьезодинамик установить в макетную плату длинной ножкой в паз (е; 29), а другой ножкой в паз (f; 29). Взять один из трёх соединительных проводов данных для этой модели конструктора и подключить его к электронной плате ArduinoUno в паз (2), а другой конец провода в макетную плату в паз (b; 29). Второй провод подключить на электронной плате в паз (на электронной плате в паз (GND), другой конец провода в макетную плату в паз (j; 29). Третий провод подключить одним концом в макетную плату в паз (с; 30), второй конец провода, тоже в макетную плату в паз (h; 30). Кабель вставить в специальный разъём на электронной плате ArduinoUno, а другим концом кабеля подключиться к компьютеру.Написать такую же программу в приложении «mBlock», которая указана ниже и запустить программу.

Цель работы: сравнение частоты колебаний по различным высотам звука.

Приборы и материалы: компьютер (ноутбук), электронная плата ArduinoUno, макетная плата, светодиод, пьезодинамик, соединительные провода.

t – время, n –частота колебаний, N – количество повторений.

Ход работы:

1. Собрать модель конструктора «Киберцветок» по инструкции.

2. Написать программу, по которой мы сможем менять высоты звука.

3. Определить за какое одинаковое количество раз подачи звукового сигнала будете засекать время. Количество раз подачи звукового сигнала – N.

4. Измерьте время t, потраченное на отсчёт подач звука.

5. Рассчитайте частоту колебаний n при помощи формулы: n = .

Вывод:Выполняя лабораторную работу, я научилась сравниватьчастоту колебаний по различным высотам звука. Для этого использовала формулу:

n = – определение частоты колебаний.

Изготовленные модели протестировала: провела оценку характеристик собранных моделей и написанных программ при постановке физических экспериментов, исследовала возможность использования собранных конструкций для демонстрации на уроках физики.

Смета проекта

• Обучающий электронный конструктор «Киберцветок» на базе Arduino – 2990 руб.

Итого: 2990 руб.

Вывод:проведённые эксперименты показываютдоступность реализации проекта по созданию конструкций из обучающего электронного конструктора на базе Arduino.

Проанализированы все доступные источники литературы и Интернета, благодаря которым я дала обоснование конструирования, программирования и применения данных экспериментов в учебном процессе по физике.

Сконструировано 3 модели для изучения частоты звука и частоты подачи светового сигнала, угол оборота, а также для разнообразия учебного процесса на уроках физики.

При изготовлении моделей конструктора я совершенствовала навыки работы с простейшими инструментами, научилась составлять программы для несложных конструкций из электронного конструктора, научилась оценивать результаты своей работы. Кроме того, изготовление моделей электронного конструктора побудило меня к самостоятельному получению знаний за счёт глубокого изучения принципа взаимодействий программирования и робототехнике.

В перспективе – изготовление новых моделей конструктора по другим темам, публикация результатов работы в материалах школьной научно-практической конференции.

Созданные лабораторные и конструктор я подарила кабинету физики МАОУ СОШ№2.

1. Обучающий набор Киберцветок на базе ArduinoUno//URL:https://enjoy-robotics.ru/cyberflower

2. Лаборатория робототехники и программирования EnjoyRobotics //URL:https://enjoy-robotics.ru/flowerinstruction

3. Download mBlock - Learn coding at any device, anywhere//URL:https://mblock.makeblock.com/en-us/download/

1)

Лабораторная работа №1:

«Маячок и светодиод».

Инструкция по сборке: Светодиод подключить в макетную плату длинной ножкой в точку (а; 29), а короткую в (а; 30). Взять два провода, например, синий и зелёный. Один конец зелёного провода подключить в макетную плату в точку (е; 29), а второй конец провода в электронную плату ArduinoUnoв паз (2). Один конец синего провода вставить в паз (GND), а другой в макетную плату (е; 30). Кабель вставить в специальный разъём на электронной плате ArduinoUno, а другим концом кабеля подключиться к компьютеру.Написать такую же программу в приложении «mBlock», которая указана ниже и запустить программу.

Цель работы: Определение частоты и периода подачи светового сигнала с помощью светодиода.

Приборы и материалы: компьютер (ноутбук), макетная плата, электронная плата ArduinoUno, светодиод, соединяющие провода.

Ход работы:

1. Собрать модель конструктора «Маячок и светодиод» по инструкции;

2. Написать программу, по которой мы сможем менять время задержки светового сигнала. Время – t.

3. Определите на какое одинаковое количество раз подачи светового сигнала будете засекать время. Количество раз подачи светового сигнала – N.

4. Измерьте время, потраченное на отсчёт миганий светодиода.

5. Рассчитайте частоту колебаний nпри помощи формулы: n = .

6. Рассчитайте период колебаний Tпри помощи формулы: T = .

T – период, t – время,n– частота колебаний, N– количество повторений.

Вывод:(напишите самостоятельно)

2)

Лабораторная работа №2:

«Киберцветок».

Инструкция по сборке: Сервопривод SG90 установить в специальную для него подставку, сверху на сервопривод установить цветок PLA. К проводам сервопривода подключить три соединительных провода. Провод, который идёт от жёлтого провода вставить на электронной плате ArduinoUno в паз (12). Провод, идущий от красного подключить в паз (5V). И провод, идущий от коричневого провода поставить в паз (GND).Кабель вставить в специальный разъём на электронной плате ArduinoUno, а другим концом кабеля подключиться к компьютеру. Написать такую же программу в приложении«mBlock», которая указана ниже и запустить программу.

Цель работы: Определение скорости поворотов цветка с известным периодом.

П риборы и материалы: компьютер (ноутбук), электронная плата ArduinoUno,цветок PLA, соединяющие провода, сервопривод SG90, стойка для сервопривода.

v – скорость, Т – время (в миллисекундах), r–радиус, - математическая постоянная.

Ход работы:

1. Собрать модель конструктора «Киберцветок» по инструкции.

2. Написать программу, по которой мы сможем менять время (в миллисекундах) задержки светового сигнала. Время – t.

3. Измерить диаметр цветка и разделить его на 2, так мы получим радиус r. Радиус – r.

4. Рассчитать по формуле скорость v поворота: v = .

5. Постройте график зависимости скорости от времени v(T)

Вывод:(напишите самостоятельно)

3)

Лабораторная работа №3:

«Пьезопищалка».

Инструкция по сборке:Светодиод подключить в макетную плату длинной ножкой в точку (а; 29), а короткую в (а; 30). Пьезодинамик установить в макетную плату длинной ножкой в паз (е; 29), а другой ножкой в паз (f; 29). Взять один из трёх соединительных проводов данных для этой модели конструктора и подключить его к электронной плате ArduinoUno в паз (2), а другой конец провода в макетную плату в паз (b; 29). Второй провод подключить на электронной плате в паз (на электронной плате в паз (GND), другой конец провода в макетную плату в паз (j; 29). Третий провод подключить одним концом в макетную плату в паз (с; 30), второй конец провода, тоже в макетную плату в паз (h; 30). Кабель вставить в специальный разъём на электронной плате ArduinoUno, а другим концом кабеля подключиться к компьютеру.Написать такую же программу в приложении «mBlock», которая указана ниже и запустить программу.

Цель работы: сравнение частоты колебаний по различным высотам звука.

Приборы и материалы: компьютер (ноутбук), электронная плата ArduinoUno, макетная плата, светодиод, пьезодинамик, соединительные провода.

t – время, n –частота колебаний, N – количество повторений.

Ход работы:

1. Собрать модель конструктора «Киберцветок» по инструкции.

2. Написать программу, по которой мы сможем менять высоты звука.

3. Определить за какое одинаковое количество раз подачи звукового сигнала будете засекать время. Количество раз подачи звукового сигнала – N.

4. Измерьте время t, потраченное на отсчёт подач звука.

5. Рассчитайте частоту колебаний n при помощи формулы: n = .

Вывод: (напишите самостоятельно)