Брянская городская администрация

Управление образования

Брянский городской информационно- методический центр

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа №1 г. Брянска

с углубленным изучением отдельных предметов»

Конкурс учебных проектов учащихся общеобразовательных учреждений г.Брянска

ТВОРЧЕСКИЙ ПРОЕКТ

 «ЭЛЕКТРОННЫЙ МЕТРОНОМ»

Физика

Выполнил: ученица 10б класса Мигге Светлана

Руководитель: учитель физики Бабарин Я.Н.

Содержание

Содержание        2

Введение        3

Теоретическая часть        4

Практическая часть        7

Порядок работы        9

Применение прибора        12

Самоанализ работы        13

Список литературы        14

Введение

Физика — это наука о природе, изучающая наиболее общие свойства окружающего нас мира. Она изучает материю и наиболее простые и вместе с тем наиболее общие формы её движения, а также фундаментальные взаимодействия природы, управляющие движением материи. Главная цель науки – выявить и объяснить законы природы, которыми определяются все физические явления, для использования их в целях практической деятельности человека. Мир познаваем, и процесс познания бесконечен. Изучение окружающего нас мира показало, что материя находится в постоянном движении. Под движением материи понимают любое изменение, явление. Следовательно, окружающий нас мир – это вечно движущаяся и развивающаяся материя.

Основными разделами физики являются: механика,  статика, динамика, кинематика, молекулярная физика, термодинамика, электрическая теория, оптика, теория относительности и теория поля, ядерная физика, квантовая физика, электроника.

Раздел электроники является самым интересным разделом. Принцип работы радиоэлектронных устройств лежат в основе современной техники, потому важно понимать их и уметь воссоздать. В школьном курсе физики изучение данного раздела поверхностно, по этой причине мною была проведена исследовательская работа «исследование принципа работы мультивибратора на примере метронома».

Метроно́м (греч. μέτρον — мера, νόμος — закон) — прибор, отмечающий короткие промежутки времени равномерными ударами. В основном используется музыкантами как точный ориентир темпа при исполнении музыкального произведения на репетиции.

Цель данной исследовательской работы на основе общих теоретических положений работы мультивибратора разработать радиоэлектронное устройство – метроном, которое можно использовать в качестве демонстрационного пособия на уроках физики.

Для достижения поставленной цели нам необходимо решить следующие задачи:

1. Изучение основ по принципу работы мультивибраторов.
2. Создание рабочей схемы электронного устройства – метроном.
3. Изготовить данное устройство.

Теоретическая часть

Мультивибратор — релаксационный генератор сигналов электрических прямоугольных колебаний с короткими фронтами. Термин предложен голландским физиком ван дер Полем, так как в спектре колебаний мультивибратора присутствует множество гармоник — в отличие от генератора синусоидальных колебаний («моновибратора»). Впервые мультивибратор был описан Икклзом и Джорданом в 1918 году.

Мультивибратор является одним из самых распространённых генераторов импульсов прямоугольной формы, представляющий собой двухкаскадный резистивный усилитель с глубокой положительной обратной связью. В электронной технике используются самые различные варианты схем мультивибраторов, которые различаются между собой по типу используемых элементов (ламповые, транзисторные, тиристорные, микроэлектронные и так далее), режиму работы (автоколебательный, ждущие синхронизации), видам связи между усилительными элементами, способам регулировки длительности и частоты генерируемых импульсов и так далее.

Виды мультивибраторов

Существуют несколько видов самовозбуждающихся устройств типа мультивибратор. По форме генерируемого сигнала выделяют:

• Симметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов равны.
• Несимметричные мультивибраторы. Длительность импульсов и пауз генерируемых сигналов не равны.

По типу стабильности мультивибраторы делят на:

• Автоколебательные, иначе называемые нестабильными. В них колебания происходят автоматически при подключении устройства к источнику питания.
• Моностабильные, иначе называемые ждущими. При включении устройства одно состояние в них становится стабильным, другое – нет. Генерируется импульс, и устройство переходит в стабильное состояние. Чтобы запустить генерацию сигнала заново, необходимо подать дополнительный управляющий сигнал.
• Бистабильные, иначе называемые триггерами. Стабильны всегда, какие-либо возбуждения отсутствуют. Изменить состояние устройства можно подачей управляющего сигнала.

Примером мультивибратора может служить электронный метроном.

Метроном — это механическое или электронное устройство, которое отмеряет, проигрывает, отстукивает (нужное подчеркнуть) определенный ритм или ритмический рисунок (в зависимости от крутости самого устройства) с заранее заданной скоростью: от самого медленного (для начинающих и учащихся) до самого быстрого (для продвинутых монстров с натренированными руками). Последнее хочу подчеркнуть! Вопреки распространенному мнению, большие монстры-профессионалы тоже занимаются, используя метроном.

Метрономы делятся на два семейства: механические и электронные, которые, в свою очередь, делятся на кучу видов. И каждый музыкант выбирает себе тот метроном, который ему максимально подходит. Рассмотрим каждое семейство поподробнее.

Механические метрономы

Механический метроном это самый старый вид, встречающийся в природе. Люди старой закалки, которые в молодости по тем или иным причинам посещали музыкальные школы, помнят деревянные пирамидки, размером с коробку карандашей, стоящие на роялях или в стеклянных шкафах со всякой музыкальной утварью, в кабинетах у строгих и накрахмаленных преподавателей. Это и есть знаменитые «прадедушки» всех современных метрономов.

С тех самых времен вид сильно эволюционировал. Теперь метрономы делают не только из дерева, но и из композитных материалов. Если раньше механический метроном был, то теперь производятся маленькие, «карманные» метрономы. Их удобно носить, например, в кейсике со скрипочкой и т.д. Некоторые модели обзавелись колокольчиком-звоночком для акцента на сильную долю, причем «акцент» устанавливается в зависимости от размера произведения, которое разучивают под метроном. Конечно, электронные метрономы по функциональности превосходят механических собратьев, зато у вторых есть несколько неоспоримых качеств, на которые я хотел бы обратить Ваше внимание.

Для начала, это превосходная наглядность: у механического метронома есть маятник, болтание в разные стороны которого не заметит разве что слепо-глухо-немой капитан дальнего плавания. Даже если музыкант целиком поглощен игрой, боковым зрением он все равно будет отслеживать маятник. А что может сравниться с натуральным щелчком настоящего механизма. Этот звук можно слушать как серенаду, он абсолютно не напрягает и прекрасно вписывается в звучание любого инструмента, не вываливаясь из общей картины, как не доживший до стипендии студент из автобуса. Ну и, конечно, исполнение — механические метрономы, в особенности те, что имеют традиционную форму в виде пирамидки, выглядят удивительно утонченно. Они придадут колорит любому помещению и создадут творческую атмосферу, являясь одним из символов музыкальной культуры. Эти метрономы могут быть использованы любыми музыкантами, но особенно я рекомендовал бы их начинающим из-за своей простоты в обращении и наглядности, а также они (метрономы, конечно, а не начинающие музыканты) не нуждаются в батарейках. Там используется механизм сродни часовому, т.е. прибор нужно просто завести как обычный старорежимный будильник.

Электронные метрономы

Электронный метроном - это довольно новый вид, но уже успевший покорить сердца большого количества музыкантов по всему миру. Особенно этому виду отдают предпочтение деятели искусств, которые играют на электроинструментах. Как правило, электронные метрономы имеют небольшой размер и могут запросто уместиться на ладони. Это сделано для того, чтобы метроном мог быть спрятан в любой чехол, кофр, саквояж, в общем, кто еще не понял, в любую тару, в которой хранят и перевозят музыкальный инструмент. Электронные метрономы обладают массой полезных функций, таких как камертон, акцент, смещение этого акцента до невероятных ритмов. Есть даже гибридные модели, совмещенные с тюнером (это такой прибор для настройки музыкальных инструментов в более-менее человеческий строй, чтобы слушатели не разбегались как тараканы по кухне от тапки хозяина квартиры), но о нем (о тюнере, разумеется, а не о тапке хозяина квартиры), речь пойдет в другой статье. Электронные тюнеры могут «стучать» (красивое слово), «пищать», «щелкать» или имитировать щелчок — кто на что горазд.

Метроном для занятия спортом. Например, бегом. Аксессуар, который совершенно необходим тем, кто не умеет правильно «раскладываться » (распределять силы) по дистанции. Предназначен он для развития чувства времени. В целом – этот прибор значительно повышает эффективность расходования сил по дистанции.

Метроном иногда называют маленьким тренером – регулярные звуковые сигналы помогают спортсмену понять, какой темп и скорость для него являются идеальными и как правильно разложить силы по дистанции, чтобы преодолеть ее за меньшее время. Одна из основных ошибок молодых спортсменов заключается в том, что они выкладываются в самом начале, а на финиш уже не хватает сил. В спорте высших достижений мелочей не бывает.  

Практическая часть

Как уже говорилось выше, метроном является одним из примеров мультивибраторов, а точнее это несимметричный мультивибратор. Будем собирать электронное устройство по следующее принципиальной схеме:

Рис.1. Принципиальная схема простого электронного метронома с частотой следования импульсов от 20 до 250 в минуту

В таком мультивибраторе использованы транзисторы разной структуры: Vl - n-p-n, V2 - p-n-p Это позволило уменьшить общее число деталей мультивибратора. Принцип же его работы остается таким же - генерация возникает за счет положительной обратной связи между выходом и входом двухкаскадного усилителя 3Ч; связь осуществляется электролитическим конденсатором С1. Нагрузкой мультивибратора служит малогабаритная динамическая головка В1 со звуковой катушкой сопротивлением 4 - 10 Ом, например 0.1ГД - 6, 1ГД - 8 (или телефонный капсюль), создающая при кратковременных импульсах тока звуки, похожие на щелчки. Частоту следования импульсов можно регулировать переменным резистором R1 примерно от 20 до 300 импульсов в минуту. Резистор R2 ограничивает ток базы первого транзистора, когда движок резистора R1 находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, соответствующем наибольшей частоте генерируемых колебаний. Метроном можно питать от одной батареи 3336Л или трех элементов 332, соединенных последовательно. Ток, потребляемый им от батареи, не превышает 10 мА. Переменный резистор R1 должен иметь шкалу, отградуированную по механическому метроному. Пользуясь ею, простым поворотом ручки резистора можно установить нужную частоту звуковых сигналов метронома.

Итак, наш метроном собран по схеме несимметричного мультивибратора на двух транзисторах с разной проводимостью. Нагрузкой транзистора VT2 является звуковая катушка малогабаритного громкоговорителя с сопротивлением 3...10 Ом, например, 0,25ГД-10. Налаживание правильно собранного устройства заключается в подгонке границ диапазона частоты импульсов. При увеличении емкости конденсатора С1 понижается низшая частота диапазона, а с уменьшением сопротивления резистора R1 повышается наивысшая частота.

         Транзисторы могут быть любого типа, лишь бы они соответствовали проводимости, указанной на схеме. Для питания используется три гальванических элемента типа 316. Метроном монтируют в небольшом корпусе на монтажной планке. В корпусе также устанавливается громкоговоритель, контакты для подключения элементов питания, а на его боковой стенке — выключатель питания. Для переменного резистора необходимо сделать шкалу. Установка любой частоты генерации в пределах выбранного диапазона производится изменением сопротивления переменного резистора R1, ориентируясь по установленной шкале. Градуировка шкалы производится с помощью механического метронома

   Несимметричный мультивибратор на транзисторах разной проводимости характерен тем, что при работе оба транзистора одновременно или открыты или закрыты. Ток, потребляемый закрытыми транзисторами очень мал. Это позволяет создавать различные экономичные схемы с применением маломощных биполярных транзисторов. Одна из них – схема электронного метронома, простота конструкции которого доступна начинающим радиолюбителям. Всего два транзистора с несколькими отдельными элементами схемы позволяют сделать монтаж обычным навесным способом, это поможет наглядно изучить принцип работы мультивибратора. Итак, несимметричный мультивибратор на транзисторах разной структуры генерирует импульсы тока, длительность которых значительно короче пауз между ними. В моменты этих импульсов динамическая головка, включенная в коллекторную цепь транзистора, издает короткий звук, а сигнальная лампа вспыхивает. Времязадающая емкость и переменный резистор позволяют регулировать частоту импульсов. Резистор R2 ограничивает ток базы транзистора, при котором генератор еще сохраняет работу на медленных электрических колебаниях. Работает устройство в диапазоне стабилизированных напряжений от 5В до 9В.

Применение прибора

Прибор используется на уроках музыки и пения, а также при постановке демонстрационных опытов и лабораторных работ на уроках физики в разделе «Механика».

Прибор может служить пособием для изучения устройства и действия часового механизма.

Метроном используется при проведении демонстраций: измерение средней скорости, измерение ускорения, исследование признаков равноускоренного движения и др.

        Метроном является наглядным пособием для изучения принципа работы мультивибраторов и биполярных транзисторов в частности в старшей профильной школе.

Мультивибраторы относятся к генераторам релаксационного типа, у которых форма генерируемых колебаний резко отличается от синусоидальной, а длительность колебаний зависит от реактивных элементов (чаще конденсаторов), входящих в схему. Мультивибраторы широко применяются для получения импульсов напряжения прямоугольной формы и могут быть использованы в качестве задающих генераторов различных устройств промышленной электроники.

В качестве примера  мною была разработана лабораторная работа, которую можно выполнять на дополнительных занятиях по физики для закрепления темы  «Цена деления».

Лабораторная работа.

Градуирование измерительного прибора. Определение цены деления.

Цель: научиться градуировать измерительный прибор. Получать шкалу с любой ценой деления.

Приборы и материалы: самодельный прибор метроном, лист бумаги, ножницы секундомер.

Ход работы:

1) ознакомиться с принципом работы самодельного устройства метроном

2) перед началом работы подготовить рабочий стол.

3) вырезать из листа бумаги круг радиусом 2 см. и в нем проделать отверстие, в которое вставить регулятор частоты сигнала метронома.

4) включить прибор, предварительно повернув регулятор до упора по часовой стрелке.

5) в течение одной минуты посчитать число сигналов метронома.

6) поставить первый штрих

7) по формуле , где N – число звуковых колебаний метронома, а t – время его работы, рассчитайте k – скорость подачи звуковых колебаний.

8) около отмеченного штриха поставить полученное значение.

9) повернуть регулятор до упора в другом направлении, снова поставит штрих.

10) определить  k для данных условий, результат записать около этого штриха.

11) разделить  полученную шкалу пополам, затем каждую из полученных дуг снова пополам.

12) самостоятельно рассчитать значения k для данных положений регулятора.

Контрольные вопросы:

1. Что такое метроном?

2. Что такое единица измерения, цена деления? Определите цену деления метронома.
3. Как повысить точность измерения скорости подачи звуковых сигналов?
4. Можете ли вы предложить другие способы измерения скорости подачи звуковых сигналов?
5. Какова погрешность измерений, выполненных в данной работе?

Самоанализ работы

        Как ясно из исследования, мультивибратор является одной из основ современной радиотехники. На примере одного лишь метрономы мы увидели широкую область его применения.

В процессе написания данной работы мной была проделана большая работа по изучению принципа работы мультивибраторов, научилась читать электронные схемы, правильно работать с паяльником. Я открыла для себя много нового и интересного из мира радиоэлектроники, выяснила огромную область применения мультивибраторов. Исследовательская работа  помогла мне по-новому взглянуть на электронные приборы и радиоэлектронику в целом.

Эта работа помогла мне понять, что не обязательно покупать электронные приборы, которые можно попробовать сделать самой и получить удовольствие от данного процесса. Я приобрела опыт в создании электронный устройств. Думаю, что полученные мной знания позволят мне избежать ошибок в следующей моей проектной деятельности.

Однако, эта исследовательская работа вызвала у меня и немало сложностей. До начала работы я затруднялась в чтении принципиальных схем, отсутствовали навыки в пайке радиоэлементов. Большие трудности вызвало у меня правильное оформление исследовательской работы. Но по ходу выполнения данного проекта мне удалось исправить эти недоработки.

Исследование в корне изменило мое мнение о мире радиоэлектроники, представление о работе электронных предметов.

Список литературы

1.http://www.energodetal.ru/prostye-no-interesnye-ustrojstva/multivibratory/primenenie-multivibratorov/

2.http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9C%D1%83%D0%BB%D1%8C%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%B8%D0%B1%D1%80%D0%B0%D1%82%D0%BE%D1%80

3. http://radiokot.ru/start/analog/practice/04/

4. http://solo-project.com/articles/2/multivibrator-princip-deystviya-i-primenenie.html

5. http://allbest.ru/k-2c0b65635b2bc68a5d53a89521306c27.html

6.А.Ю. Имлинский, В.А. Дубровский, «Новый политехнический словарь», Москва, Научное издательство «Большая Российская энциклопедия», 2006 год

7.Н.И. Чистяков «Справочник радиоконструктора», Радио и связь, выпуск 1043

8.А.И. Кизлюк, Справочный материал по кодированному обозначению, маркировке радиоэлементов, входящий в справочник по устройству и ремонту телефонных аппаратов зарубежного и отечественного производства, Москва, Библион