Σχεδίαση εργαστηριακών πειραμάτων φυσικής με χρήση μικροελεγκτών

Abstract

Στην παρούσα εργασία σχεδιάστηκαν εργαστηριακά πειράματα φυσικής με τη χρήση μικροελεγκτών. Συγκεκριμένα σχεδιάστηκαν τέσσερα πειράματα με αντικείμενο α) τον Υπολογισμό της στατικής τριβής, β) τον Υπολογισμός της επιτάχυνσης της βαρύτητας με διάταξη εκκρεμούς, γ) τον Υπολογισμό της επιτάχυνσης της βαρύτητας με διάταξη ελεύθερης πτώσης και δ) την ενεργειακή ανάλυση κρούσης. Τα πειράματα πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση του μικροελεγκτή Arduino με τον οποίο προσφέρουμε στα πειράματά μας αυτοματοποιημένες διαδικασίες οι οποίες αφορούν την εκτέλεση διάφορων εντολών, καθώς και την κατάλληλη επεξεργασία μετρήσεων. Για την πραγματοποίηση των πειραμάτων δημιουργήθηκαν κατάλληλες πειραματικές διατάξεις, σχέδια των κατασκευών, ηλεκτρικά κυκλώματα και κώδικες προγραμματισμού, ενώ σε κάθε πείραμα παρουσιάζεται και η θεωρητική μελέτη των εκάστοτε φαινομένων. Ο σωστός συνδυασμός αυτών των παραμέτρων, θα μας οδηγήσει στα αποτελέσματα των πειραμάτων. Το πρώτο πείραμα που σχεδιάσαμε αφορά τον υπολογισμό του συντελεστή στατικής τριβής μεταξύ δύο επιφανειών. Για το συγκεκριμένο πείραμα κατασκευάσαμε μια πειραματική διάταξη η οποία αποτελείται από ένα δάπεδο το οποίο έχει την ικανότητα να μεταβάλει την κλίση του. Κατά τη διαδικασία του πειράματος η κλίση του επιπέδου μεταβάλλεται σταδιακά, ενώ μόλις το ελεύθερο σώμα ξεκινήσει να ολισθαίνει μπορούμε να υπολογίσουμε τον συντελεστή στατικής τριβής. Η κατάλληλη τοποθέτηση των αισθητήρων, καθώς και ο σωστός προγραμματισμός αυτών μας βοηθούν να βγάλουμε τα αποτελέσματα μας. Στο δεύτερο πείραμα υπολογίζεται η τιμή της επιτάχυνσης της βαρύτητας με τη χρήση της διάταξης του εκκρεμούς. Κατασκευάσαμε μια πειραματική διάταξη εκκρεμούς ειδικά διαμορφωμένη έτσι ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν πάνω σε αυτή οι αισθητήρες και τα εξαρτήματα που χρησιμοποιήσαμε. Το βασικό χαρακτηριστικό του πειράματος το οποίο συνδέεται άμεσα και με τον κώδικα που δημιουργήθηκε είναι η χρονομέτρηση της περιόδου της κίνησης του σώματος του εκκρεμούς. Η χρήση των αισθητήρων και των εξαρτημάτων παρείχαν στην κατασκευή μας τη δυνατότητα χρονομέτρησης της περιόδου, μέτρηση του μήκους του νήματος καθώς και τη μεταβολή αυτού, με τη χρήση κατάλληλων κουμπιών. Στο τρίτο πείραμα υπολογίσαμε ξανά την τιμή της επιτάχυνσης της βαρύτητας, αλλά αυτή τη φορά με τη μέθοδο της ελεύθερης πτώσης. Για το λόγο αυτό κατασκευάσαμε μια πειραματική διάταξη, η οποία έχει την ικανότητα να μεταβάλει το ύψος της, ενώ ταυτόχρονα μας παρέχει και μια βάση για να στηρίξουμε το σώμα πριν αυτό ξεκινήσει την πτώση. Ο βασικός σκοπός του πειράματος είναι η χρονομέτρηση της διάρκειας της ελεύθερης πτώσης του σώματος και η μέτρηση του αρχικού ύψους τοποθέτησής του. Στο τέταρτο πείραμα μελετήσαμε το φαινόμενο της κρούσης, καθώς και την ενεργειακή ανάλυση αυτής. Πρόκειται για μια κρούση μεταξύ δύο σωμάτων εκ των οποίον το ένα έχει πολύ μεγαλύτερη μάζα από το άλλο, οπότε μπορούμε να θεωρήσουμε ότι γίνεται κρούση ενός σώματος με τοίχο. Η πειραματική διάταξη που κατασκευάσαμε έχει στόχο να αμβλύνει όσο το δυνατόν περισσότερο, διάφορους παράγοντες οι οποίοι θα μπορούσαν να μας οδηγήσουν σε λανθασμένα αποτελέσματα και κυρίως των τριβών που αναπτύσσονται λόγω ολίσθησης. Για το λόγο αυτό επιλέξαμε η κατασκευή να αποτελείται από μια διάταξη «ράγας». Πάνω στην κατασκευή τοποθετήθηκαν αισθητήρες οι οποίοι προγραμματίστηκαν έτσι ώστε να μπορούν να υπολογίσουν την ταχύτητα του σώματος πριν και μετά την κρούση.