УНИВЕРСАЛЬНАЯ ПЛАТФОРМА И ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ МОДУЛЬ
UNIVERSAL PLATFORM AND RESEARCH MODULE

Изобретение относится к учебным приборам и предназначено для изучения основ электроники, акустики, механики, при этом универсальная платформа предназначена для монтажа различных исследовательских и учебных модулей по основам физики, механики и их разделов.
Из области техники известно устройство для изучения звуковых волн, содержащее прозрачную трубку, со стороны одного из торцов которой расположен источник звука, встроенный в заглушку, закрывающую этот торец, внутри трубки установлен с возможностью перемещения вдоль ее оси поршень, имеющий канал, через который обеспечивается возможность откачивания среды из трубки (см. патент на изобретение RU №2422912, Кл. G09B 23/14, оп. в 2011 г.). Известное устройство предназначено для проведения учебных опытов по изучению звуковых волн в условиях типового кабинета физики общеобразовательных учебных учреждений.
Известно устройство для исследования закона сохранения кинетического момента механической системы, содержащее основание, установленную в основании с возможностью вращения вокруг вертикальной оси симметричную рамку с вертикальными стойками и механизм создания кинетического момента, включающий в себя тело вращения, установленное в корпусе, который посредством горизонтальных полуосей шарнирно закреплен в вертикальных стойках рамки, электродвигатель, датчики угловых скоростей с блоком питания датчиков и электродвигателя, блок регистрации и обработки сигналов датчиков, в качестве блока регистрации и обработки сигналов датчиков применен персональный компьютер с аналого-цифровым преобразователем (см. патент на полезную модель RU №183308, Кл. G09B 23/10, оп. в 2018 г.). Данное устройство смонтировано на основании - платформе с вертикальными стойками и снабжено электродвигателем, датчиками угловых скоростей, блоком обработки данных с возможностью подключения к компьютеру.
Известен способ обучения и контроля учащихся основам мехатроники с использованием комплекта учебного оборудования для монтажа, наладки и эксплуатации мехатронных систем, содержащего монтажную плиту - платформу, и выполненные с возможностью размещения на ней в одной монтажной плоскости действующие модели промышленных механизмов с пневматическими и электрическими приводами, устройства ручного и автоматического управления, (см. патент на изобретение RU №2678632, Кл. G09B 9/00, оп. в 2019 г.). В этом способе предусмотрено использование достаточно универсальной базы для монтажа разного учебного оборудования - монтажной плиты с элементами крепления. Однако эта плита предназначена только для установки унифицированного оборудования.
Известен учебный комплект для изучения звуковых волн, характеризующийся тем, что он содержит, по меньшей мере, один источник звука, по меньшей мере, два чувствительных элемента, каждый из которых представляет собой микрофон с круговой диаграммой направленности, и электронный преобразователь, связанный с компьютером и предназначенный для обработки электрических сигналов от микрофонов и преобразования их в цифровой вид, при этом микрофоны подсоединены к электронному преобразователю посредством длинномерных кабелей (см. патент на изобретение RU №2473975, Кл. G09B 23/14, оп. в 2013 г.).
Наиболее близким аналогом к заявленному изобретению является устройство для изучения звуковых волн по вышеописанному патенту на изобретение RU №2422912, предназначенный для проведения исследований в области акустики.
Техническая проблема заключается в том, что описанные устройства и вышеуказанный комплект не предназначены для решения исследовательских задач, они не дают возможности управления процессом исследования и изменения условий исследования. В них остается нерешенной задача объединения вопросов одновременного изучения физики, механики и электроники на одной универсальной базе. Решение данной задачи не должно ограничиваться только возможностью обучения, оно должно давать возможность проводить различные демонстрации и ставить эксперименты.
Настоящее изобретение направлено на решение технической задачи повышения универсальности и многофункциональности универсальной платформы и исследовательского модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.
Решение поставленной технической задачи достигается за счет того, что универсальная платформа, содержащая монтажную плиту с монтажными отверстиями и выполненная с возможностью размещения на ней действующих моделей механизмов с приводом, снабжена закрепленными на монтажной плите стойками швеллерообразного типа, оборудованными неподвижными площадками для установки элементов крепления различного оборудования, размещенными между стойками направляющую рельсового типа, винтовую пару в виде шпильки и гайки и подвижную каретку, связанную с приводом, причем каретка оснащена магнитным элементом, а привод выполнен в виде электродвигателя, расположенного под неподвижной площадкой с обратной стороны стойки относительно направляющей, при этом универсальная платформа снабжена системой управления измерениями с измерительным прибором, установленным на неподвижной площадке. А также за счет того. Что исследовательский модуль, включающий прозрачную длинномерную трубку с заглушкой, источник звука и установленный с возможностью перемещения вдоль оси трубки поршень со средством его перемещения, снабжен монтажной плитой с подвижной кареткой, связанной с электродвигателем, и измерительным прибором, размещенным на монтажной плите, а заглушка снабжена отверстием для установки сенсорного элемента измерительного прибора, при этом средство перемещения поршня выполнено в виде магнитных элементов, размещенных на подвижной каретке и в поршне, а электродвигатель и измерительный прибор связаны с системой управления измерениями. Изобретение поясняется чертежами.
На фиг. 1 универсальная платформа, фрагмент вида в изометрии. На фиг. 2 - исследовательский модуль, вид в изометрии. На фиг. 3 - система управления измерениями.
Универсальная платформа предназначена для монтажа учебного или исследовательского оборудования с управляемыми элементами, а также для проведения занятий в интерактивном режиме. Универсальная платформа состоит из монтажной плиты 1 с монтажными отверстиями 2, стоек 3 швеллерообразного типа, оборудованных неподвижными площадками 4 и 5 для установки элементов 6 крепления вспомогательного оборудования и измерительного прибора 7. Между стойками 3 расположена направляющая 8 рельсового типа и винтовая пара в виде шпильки 9 и гайки (на рисунке не показано). Универсальная платформа снабжена подвижной кареткой 10 с возможностью перемещения вдоль направляющей 8 рельсового типа посредством шпильки 9. Каретка 10 оснащена магнитным элементом 11 и связана с электродвигателем 12 для перемещения вдоль направляющей 8 посредством шпильки 9, соединенной с двигателем 12 через муфту 13. Электродвигатель 12 расположен под площадкой 4 с прибором 7 с обратной стороны стойки 3 относительно направляющей 8. Такая конструкция платформы позволяет устанавливать на ней учебное и исследовательское оборудование различных типов на стойках 3, на каретке 10 располагать элементы воздействия на оборудование, связанные с системой управления измерениями, а на площадке 4 закреплять измерительные приборы 7 разного типа, также связанные с системой управления измерениями.
На фиг. 2 показан пример реализации функций универсальной платформы с помощью исследовательского модуля, предназначенного для изучения основ электроники, акустики и механики. Исследовательский модуль включает прозрачную длинномерную трубку 14, которая может быть изготовлена из стекла, пластика или любого другого немагнитного материала. Преимущественно используют трубку 14 цилиндрического типа. Один торец трубки 14 открыт, а второй торец имеет съемную заглушку 15 с монтажным сквозным отверстием 16 для установки сенсорного элемента 17 (микрофона) измерительного прибора 7. Внутри трубки 14 расположен поршень 18. В поршне 18 расположен источник звука - компактный динамик (на рисунке не показано). К источнику звука подключен генератор звука (на рисунке не показано), задающий частоту, при этом генератор звука связан с системой управления измерениями, которая имеет возможность менять параметры звука. Источник звука выставлен таким образом, что его акустическая ось совпадает с осью трубки 14, а генерируемые им звуковые волны направлены внутрь трубки 14. Конструкция поршня 18 может быть различной. Конфигурация поршня 18 зависит от условий эксперимента. На фигуре 1 и 2 изображен поршень 18 наборного типа, одна из пластин 19 которого изготовлена из магнитного материала для взаимодействия с магнитным элементом 11 каретки 10 универсальной платформы. Торцевая поверхность поршня 18, обращенная в сторону заглушки 15, выполнена звукоотражающей. В поршне 18 предусмотрено сквозное отверстие 20 для подвода проводов (на рисунке не показано) к динамику, расположенных в полости трубки 14. Для контроля перемещения поршня 18 относительно трубки 14 на этапе настройки исследовательского модуля и корректировки его работы используют шкалу (на рисунке не показано), которая может быть нанесена на поверхность трубки 14.
Система управления измерениями включает измерительный прибор 7, установленный на площадке 4. Измерительный прибор 7 расположен таким образом, чтобы сенсорный элемент 17 был установлен в монтажном сквозном отверстии 16 заглушки 15. Прибор 7 может иметь посадочное гнездо (на рисунке не показано) для крепления к площадке 4. На противоположной торцевой поверхности прибора 7 расположены: гнездо USB-порта 21 для подключения внешних устройств, например, компьютера 22, и аналоговый выход 23 для подключения к плате 24 открытой архитектуры. В свою очередь плата 24 открытой архитектуры связана с электродвигателем 12 каретки 10. Прибор 7 оснащен радиоканалом 25 для беспроводной передачи данных, например, на мобильное устройство 26.
Универсальную платформу и исследовательский модуль используют следующим образом. На фиг. 1 и 2 показан пример реализации универсальной платформы с исследовательским модулем, предназначенным для проведения учебных опытов и демонстрационных экспериментов при изучении раздела физики «Акустика». Источник звука - динамик (на рисунке не показан) встроен в поршень 17. Поскольку та сторона поршня 17, которая обращена в сторону заглушки 14, и сама заглушка 14 имеют звукоотражающие поверхности, то звуковая волна распространяется от источника звука к звукоотражающей поверхности и отражается обратно. Первоначальная и отраженная волны складываются меду собой и образуют «стоячую» или «бегущую» волны. Изменяя положение поршня 18, подбирают условие, когда волна становится «стоячей». Сенсорный элемент 17 измерительного прибора 7 связан с системой управления измерениями и дает возможность получать на мониторе компьютера 22 наглядное изображение амплитуды звуковой волны. На шкале также можно фиксировать положение поршня 18, при котором громкость звука является максимальной, и измерять длину «стоячей» волны. Поршень 18 продольно перемещают в трубке 14 относительно направляющей 8 рельсового типа с помощью магнитного элемента 11, установленного на каретке 10. Электродвигатель 12 перемещает каретку 10 вдоль шпильки 9, а магнитный элемент 11 перемещает поршень 18, воздействуя на его магнитную пластину 19. Если с помощью звукового генератора возбудить колебания воздуха в трубке 14, то при совпадении частоты генератора с одной из собственных частот колебательного контура, состоящего из фрагмента трубки 14, заглушки 15 и поршня 18, наступает резонанс - в трубке 14 образуется «стоячая» волна. Это явление обнаруживают по увеличению громкости звука и максимальной амплитуде сигнала на экране монитора компьютера 22. При получении эффекта «стоячей» волны с чередованием амплитуд «максимум» и «минимум» также можно измерять и по шкале расстояние между соседними «максимумами». Изменяя частоту звука, получают различные гармоники - обертона. На плату 24 открытой архитектуры системы управления измерениями через аналогово-цифровой преобразователь поступает сигнал от измерительного прибора 7. После обработки сигнала контроллером плата 24 дает команду электродвигателю 12 для перемещения каретки 10 и соответственно поршня 18. Таким образом, имея обратную связь с результатами перемещения электродвигателя 12, можно уменьшать скорость движения поршня 18 при подходе к пиковому значению и получать на мониторе компьютера 22 более точные значения в экстремумах. При необходимости можно дополнить контроллер платы 24 средствами ручного управления.
На универсальной платформе можно монтировать оборудование из других разделов экспериментальной физики. Например, с помощью соленоида и прибора для измерения магнитного поля можно изучать распределение магнитного поля по одной координате. А при использовании установки «Изотерма», перемещая с помощью каретки 10 поршень 18, можно изменять внутренний объем воздушного резервуара, при этом при помощи прибора для измерения давления исследовать закономерности изотермического процесса.
Универсальная платформа и исследовательский модуль представляют собой набор-конструктор для изучения электроники, физики и механики, а также для проведения различных исследований, объединяя в себе задачи по механической сборке корпусных элементов, монтажу электрических схем, с использованием приборов для измерения различных показателей, цифровой обработки их сигналов, взаимодействию различных элементов комплекта посредством проводного протокола, а также взаимодействия комплекта в целом с системой управления измерениями. Универсальную платформу и исследовательский модуль можно использовать в школах, средних учебных заведениях и в высшей школе, а также при проведении различных научных экспериментов.
Универсальная платформа и исследовательский модуль предназначены для поставки в учебные заведения в виде набора-конструктора с инструкцией по сбору различных вариантов модуля для проведения опытов и демонстраций и всеми необходимыми для этого деталями. Плата 24 открытой архитектуры обеспечивает управление электродвигателем 12 с кареткой 10 для получения различных показателей в изучаемых модулях.
Поскольку перед проведением экспериментов с универсальной платформой и исследовательским модулем ученики либо студенты предварительно должны ознакомиться с основами электроники, работы системы управления и соответствующего раздела физики или механики, а затем собрать исследовательский модуль, протестировать его работу и выполнить задания по изучению механики с помощью этого модуля, то его использование в программе обучения дает возможность одновременного получения не только теоретических знаний, но и приобретения практических навыков в работе с электронной и измерительной техникой.
Таким образом, технический результат, достигаемый с использованием заявленного изобретения, заключается в повышении универсальности и многофункциональности учебного прибора и исследовательского модуля с возможностью проведения различных демонстраций и изменения условий проведения опытов и экспериментов при визуализации получаемых результатов.