diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/annotated-mirror-heater_DE.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/annotated-mirror-heater_DE.jpg new file mode 100644 index 000000000..45e7f76a3 Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/annotated-mirror-heater_DE.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/annotated-mirror-heater_EN.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/annotated-mirror-heater_EN.jpg new file mode 100644 index 000000000..25b2c96a2 Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/annotated-mirror-heater_EN.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/calliope-in-interferometer.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/calliope-in-interferometer.jpg new file mode 100644 index 000000000..3528a288e Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/calliope-in-interferometer.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000038.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000038.jpg new file mode 100644 index 000000000..ea7ee4c5a Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000038.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000057.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000057.jpg new file mode 100644 index 000000000..e66e9839c Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000057.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000061.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000061.jpg new file mode 100644 index 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b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000083.jpg new file mode 100644 index 000000000..0de9dfc98 Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000083.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000084.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000084.jpg new file mode 100644 index 000000000..7c1d2e089 Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000084.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000085.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000085.jpg new file mode 100644 index 000000000..3477af9cb Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000085.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000086.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000086.jpg new file mode 100644 index 000000000..b8dd4ef99 Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000086.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000088.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000088.jpg new file mode 100644 index 000000000..1447b377d Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000088.jpg differ diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000090.jpg b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000090.jpg new file mode 100644 index 000000000..959c92652 Binary files /dev/null and b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/IMAGES/capture000090.jpg differ 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000000000..0eeb818f4 --- /dev/null +++ b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/calliope-mirror-heater_DE.md @@ -0,0 +1,205 @@ +--- +id: MichelsonInterferometer_calliope +title: openUC2 x Calliope Mini 3 Michelson Interferometer (DE) +--- + +# Kombiniere Calliope mit dem Michelson Interferometer + +## Flyer: Experiment für Schulen + +![Calliope Mini 3 im Interferometer-Experiment](./IMAGES/calliope-in-interferometer.jpg) + +Im Interferometer wird ein Laser-Strahl geteilt, kurz getrennt geführt, und dann wieder gemischt. Dadurch entsteht ein Ring-Muster auf einem Schirm, weil an unterschiedlichen Stellen konstruktive und destruktive Interferenz auftritt. + +In Wissenschaft und Technik werden Interferometer oft als Sensoren genutzt, weil jede winzige Veränderung der Licht-Pfade eine große Änderung im Interferenz-Muster bewirkt. So kann man zum Beispiel Turbulenzen in Luft sichtbar machen oder winzige Unebenheiten von Oberflächen ausmessen. + +Durch Beheizen eines des Spiegel-Elemente und die Ausdehnung des Materials entsteht eine winzige Verkürzung eines der Pfade. Eine Pfadlängen-Veränderung um nur 325 Nanometer bewirkt eine komplette Umkehr des Interferenzmusters, was durch das Experiment in Echtzeit und mit den Augen beobachtbar wird. + +Das Michelson-Interferometer ist bundesweit Bestandteil des Physik-Lehrplans im Abitur. Unsere robuste Bauweise und der Aufbau durch "zusammenstecken" ermöglicht aber auch schon weit vorher praktische Stoffeinheiten und Praktika. Mit dem Calliope Mini 3 können SuS die Beheizung programmieren und Messdaten aus dem Experiment sammeln, um dann z.B. in der Protokoll-Abgabe physische Zusammenhänge zu beweisen. + +- Das Zusammenstecken des Interferometers verfestigt das Wissen über den Aufbau des Michelson-Interferometers (Anforderungsbereich 1). +- Das Feinjustieren der Spiegel fördert Intuition und erfordert Verständnis über die Funktion, die die optischen Komponenten im Aufbau haben (Anforderungsbereich 2). +- Eine Experiment-Methode zu entwerfen, zu programmieren, Daten zu sammeln, und daraus Zusammenhänge zu folgern ist echtes wissenschaftliches Arbeiten (Anforderungsbereich 3)! + +## Anatomie der beheizbaren Spiegel-Armatur + +![Beschriftetes Foto der Armatur des calliope-mirror-heater](./IMAGES/annotated-mirror-heater_DE.jpg) + +### Umschalter: M0 (Calliope-Steuerung)/USB-C-gespeist + +Wenn der Plastikhebel des Umschalters in der linken Position steht, kann die Heizung mit dem "M0"-Ausgang des Calliope Mini 3 gesteuert werden. Ist der Plastikhebel in der rechten Position, ist die Heizung direkt mit der Stromversorgung des USB-C-Anschlusses verbunden. + +### USB-C-Anschluss zur Benutzung ohne Calliope + +Wenn hier eine Stromquelle verbunden ist, heizt die Heizung, wenn auch der Umschalter auf der rechten "USB"-Position steht. Es heizt und stoppt nur, wenn die Stromquelle entfernt wird, der Umschalter umgeschalten wird, oder bei Übertemperatur (über 80°C). + +### Temperatur-Sensor (NTC) + +Der Temperatursensor ist ein Widerstand mit negativem Thermalkoeffizienten, also nimmt der Widerstand ab, wenn die Temperatur zunimmt. Die Teilenummer ist NCP15WF104F03RC von muRata. + +Die "B constant 25-80°C" ist 4303K. Das Datenblatt hat eine Werte-Tabelle (Suchbegriff im Dokument: "NCP15WF104D"). + +127.1k@20°C,100k@25°C,50.7k@40°C,22.2k@60°C,10.5k@80°C. + +Der NTC ist auf der hohen Seite eines Spannungeteilers zu 3.3V, wo die Mitte an den positiven Input eines LM385 Operationsverstärkers als Puffer geht, und auf der niedrigen Seite ist ein 49.9k Ohm-Widerstand zu GND. + +Am besten wäre, die Calliope ADC-Werte mit bekannten Temperatur-Referenzen zu kalibrieren, oder willkürliche Einheiten zu akzeptieren. + +### Heizungs-Leiterbahn + +Die Heizungs-Leiterbahn ist eine einzelne lange Kupfer-Leiterbahn der Leiterplatte, und sie geht auf der Rückseite der Leiterplatte weiter. Die mäandrierende Leiterbahn ist 0.2 mm breit, insgesamt 5916 mm lang, und gedruckt mit einer Kupferdicke von 1 oz/sqft. Ihr Widerstand (errechnet) sollte 14.4 Ohm bei 25°C sein, und 17.4 Ohm bei 80°C. + +Per Calliope M0 (auf 100%) sowie per USB sollten an den Enden hier 4.6V anliegen. + +### Oberflächenspiegel + +Der kreisrunde Spiegel reflektiert auf seiner vordersten, exponierten Oberfläche und hat einen Durchmesser von 24 mm. Der Spiegel ist mit einem Pad aus doppelseitigem Klebeband auf die Heizungsfläche geklebt. + +### 3D-gedruckter Einsatz für Würfel + +Die Leiterplatte ist mit in ein 3D-Druckteil wieder mit einem doppelseitigem Klebepad geklebt. Die Seitenkanten des 3D-Drucks erlauben es dem Teil, in die Rillen der Innenkanten des Würfels zu rutschen und das Teil so zu fixieren. Mit einem zusätzlichen 3D-Druckteil kann die Armatur im 45°-Winkel in den Würfel gesetzt werden. + +### Übertemperatursensor + +Dieser Sensor unterbricht das Heizen, wenn der Sensor über 80°C heiß wird. Das Heizen setzt wieder ein, wenn die Temperatur unter 78°C fällt. Er unterbricht das Heizen in beiden Modi, Calliope M0 sowie USB. Wenn die Heizung unterbrochen ist, sind auch die gelben LEDs aus. + +### Gelbe LEDs zeigen aktives Heizen + +Wenn Spannung auf der Heizungs-Leiterbahn ist, dann leuchtet eine der gelben LEDs. Bei USB-C-Strom oder wenn Calliope M0 auf einen positiven Wert eingestellt ist, leuchtet die obere LED. Ist Calliope M0 auf einen negativen Wert gestellt, leuchtet die untere LED. + +### 2x15 Kontaktstiftleiste mit Schutzkappe + +Diese Kontaktstiftleiste kann in die Unterseite eines Calliope Mini 3 gesteckt werden, wobei der USB-Port am Calliope weg vom Spiegel zeigen muss. + +Damit werden die folgenden Calliope-Pins verbunden: + +| Function | Calliope pin | +| ---------------- | ------------ | +| Heizung | M0 | +| Temperatursensor | P0 (analog) | + +## Schritt-für-Schritt-Anleitung + +### Teileliste + +![Knolling der benötigten Teile für das Experiment](./IMAGES/capture000095.jpg) + +Und etwas, womit man den Calliope programmieren kann, wie einen Laptop. + +### 1. Den Laserstrahl auf dem Schirm zentrieren + +Baue ein Michelson-Interferometer mit Schirm, und schalte den Laser an. Suche jetzt nach dem Schraubenzieher, der in die Madenschrauben der kinematischen Spiegelhalterungen passt. Er sollte einen Hex-Antrieb der Größe H2 haben. + +![Der Schraubendreher für die Madenschrauben der kinematischen Spiegelhalterungen ist H2x75mm.](./IMAGES/capture000078.jpg) + +Stelle den kinematischen Spiegel, der auf 45° eingebaut ist, so ein, dass der Laserstrahl zentral auf dem Schirm zu sehen ist. Das kann man gut machen, während nur dieser eine kinematische Spiegel im Experiment ist. + +![Einstellen des 45° kinematischen Spiegels](./IMAGES/capture000038.jpg) + +### 2. Stelle die Heizung auf "M0" und stecke den Calliope auf + +Auf der violetten Leiterplatte, stelle den Umschalter nach __links__, damit er in der "M0" position steht. Der Plastik-Hebel sollte auf der linken Seite sein. + +![Stelle den Umschalter auf die linke Position.](./IMAGES/capture000057.jpg) + +Ziehe die Schutzkappe von der 2x15-pin Kontaktstiftleiste. Ziehe sie gerade ab und sei vorsichtig, die Kontaktstifte nicht zu verbiegen. + +![Ziehe die Schutzkappe von der Kontaktstiftleiste.](./IMAGES/capture000061.jpg) + +Stecke die Spiegelheizungsarmatur ins Experiment, in die fünfte Rille des Würfels und sodass der Spiegel zum Schirm zeigt. Die Oberfläche des Spiegels sollte jetzt perfekt im Zentrum des Würfels sein. + +![Stecke die Spiegelheizungsarmatur in die fünfte Rille des Würfels im Experiment](./IMAGES/capture000062.jpg) + +Drücke jetzt vorsichtig den Calliope Mini V3 auf die Kontaktstiftleiste. Dabei sollte der USB-C-Anschluss vom Calliope vom Schirm weg zeigen. Versuche, die Kontaktstifte in das Gegenstück auf dem Calliope zu drücken, indem du an beiden Seiten gleichmäßig drückst, damit die Kontaktstifte nicht verbiegen. + +![Calliope Mini V3 mit seinem USB-Port vom Schirm weg zeigend](./IMAGES/capture000063.jpg) + +![Drücke den Calliope auf die Kontaktstiftleiste.](./IMAGES/capture000064.jpg) + +### 3. Verbinde den Calliope über USB-C und stelle den Spiegel ein, um ein Interferenzmuster zu bekommen + +Stecke ein USB-C-Kabel in den Calliope und in den Laptop, der ihn programmieren soll. Führe das Kabel auf dem Tisch so, dass es nicht im Weg ist und dass nichts daran hängen bleibt. Wenn der Laptop läuft und Strom auf USB rausgibt, sollte eine rote LED in der Nähe des USB-Anschlusses auf dem Calliope leuchten. + +![Stecke ein USB-Kabel in den Calliope, und das andere Ende in einen Laptop.](./IMAGES/capture000067.jpg) + +Stelle nun den kinematischen Spiegel in dem anderen Arm des Interferometers ein, bis ein Interferenzmuster auf dem Schirm sichtbar wird. Drehe dazu mit dem Schraubendreher die 3 Madenschrauben des Kinematikspiegels, um den Winkel nach oben/unten, links/rechts und diagonal zu ändern. + +Tipp: Der Laserstrahl (inklusive Staub auf der Aufweitungs-Linse und dem 45°-Spiegel) wird durch den Strahlenteiler-Würfel "kopiert", und soll danach wieder vereinigt werden, dass die Kopien genau aufeinander liegen. Versuche, die Staubkörner aufeinander zu bringen, die du auf dem Schirm siehst. Wenn die aufeinander liegen, sollte ein Ringmuster oder ein Streifenmuster (der Rand des Ringmusters) sichtbar werden. + +Versuche, den zentralen Ring vollständig auf den Schirm zu bekommen. Um ihn herum sind die Regionen der Verstärkung und Auslöschung am breitesten, und das kann man am einfachsten sehen. + +![Stelle den kinematischen Spiegel im anderen Arm des Interferometers ein, bis ein Ringmuster auf dem Schirm sichtbar wird.](./IMAGES/capture000065.jpg) + +### 4. Programmiere den Calliope, den Spiegel zu beheizen + +Wir wollen erstmal mit den Augen beobachten, was passiert, wenn der eine Spiegel im Interferometer beheizt wird. + +Auf dem Laptop mit Chromium-basiertem Browser (Edge oder Chrome), gehe auf makecode.calliope.cc und lege ein neues Projekt an. Gib dem Projekt einen Namen und wähle v3 aus (weil das der Calliope Mini 3 ist). + +Um den Spiegel zu heizen, nutze den Block aus dem "Motoren"-Menü. Die lila Leiterplatte hat die Heizungs-Leiterbahn verbunden mit den "M0"-Pins des Calliope, also kannst du die voreingestellte Motornummer so lassen. + +![Nutze den Block aus dem "Motoren"-Menü.](./IMAGES/makecode_motor-menu.png) + +Wird der Motor an gemacht, fließt Strom durch die lange Leiterbahn auf der Leiterplatte und erwärmt sich langsam. Weil das elektrisch gesehen einfach ein Widerstand ist, heizt es gleich gut wenn es auf 100% oder -100% eingestellt ist. + +Während es heizt, kannst du eine der gelben LEDs leuchten sehen. Wenn M0 in der + Richtung läuft, leuchtet die obere LED, und in - Richtung leuchtet die untere gelbe LED. + +![Die gelben LEDs zeigen an, wenn die Heizung heizt.](./IMAGES/capture000072.jpg) + +Wenn alles richtig eingestellt ist, solltest du sehen, wie das Muster "wächst", wenn der Spiegel heizt, und "schrumpft", wenn er abkühlt. Die Fläche im innersten Kreis wechselt einfach zwischen hell und dunkel. + +![Interferenzmuster scheint zu "wachsen" wenn der Spiegel heizt, und es "schrumpft" wenn er abkühlt.](./IMAGES/growing-interference-pattern.mp4) + +### 5. Setze einen Lichtsensor statt dem Schirm ein + +Mit unserem Aufbau können wir bis jetzt zwar die Heizung durch Programmieren steuern, müsen das Interferenzmuster aber mit unseren Augen (oder einer Handykamera) beobachten. Um es wissenschaftlicher zu beobachten, sollten wir einen Lichtsensor hinzufügen und den Calliope die Lichtintensität an einem kleinen Punkt im Interferenzmuster messen lassen. + +Der Grove Light Sensor von Seeed Studio sollte in einem 3D-gedruckten runden Teil sein, was zwischen zwei "master insert"-Platten klemmt. Du brauchst auch ein Grove-Kabel, was mindestens 20 cm lang ist. Das zum Lichtsensor mitgelieferte Kabel reicht aus. + +![Grove Light Sensor im 3D-Druck, in 2 master insert-Platten, und ein 20 cm Grove Kabel](./IMAGES/capture000075.jpg) + +Auf der Seite mit der Lochblende und dem Grove-Anschluss, stecke ein Kabelende in den Anschluss. + +![Stecke das Kabel in den Grove-Anschluss des Lichtsensors.](./IMAGES/capture000083.jpg) + +Um das in einen Würfel zu bringen, musst du vielleicht den Würfel auseinandernehmen, der den Schirm hält. Das Sensorkabel sollte über der Lochblende reingesteckt sein, wenn es im Experiment ist, also stelle den Lichtsensoraufbau so in eine Würfel-Hälfte, dass der Kabelstecker maximal weit weg von den Noppen des Würfels ist. + +![Stelle den Lichtsensor in eine Würfelhälfte, mit dem Kabel gegenüber der Seite mit den Noppen.](./IMAGES/capture000084.jpg) + +Schließe den Würfel mit einer anderen Würfelhälfte. Stelle sicher, dass der Einsatz gerade im Wüfel sitzt, und dass die Würfelhälften vollständig ineinandergesteckt sind. + +![Schließe den Würfel mit einer anderen Würfelhälfte.](./IMAGES/capture000085.jpg) + +Setze den Sensorwürfel dort ein, wo der Schirm war, und drücke ihn in die Basisplatte. + +![Drücke den Sensorwürfel an der Stelle in die Basisplatte, wo der Schirm war.](./IMAGES/capture000086.jpg) + +### 6. Verbinde mit dem Calliope und justiere neu, um das Interferenzmuster wiederzubekommen + +Stecke das andere Ende des Grove-Kabels in den "A1"-Steckplatz auf der Oberseite des Calliope. Das Kabel ist etwas kurz, aber die Länge sollte ausreichen, wenn das Kabel wirklich oberhalb der Lochblende im Sensor steckt. + +![Stecke das Grove-Kabel in den Calliope](./IMAGES/capture000088.jpg) + +Lehne den weißen Schirm an den Würfel mit dem Lichtsensor an, um den Laserstrahl wieder sehen zu können, und justiere den kinematischen Spiegel im anderen Arm des Interferometers, um wieder das Interferenzmuster zu bekommen. Der Winkel von dem beheizten Spiegel ist leicht anders als zuvor, weil jetzt das Sensorkabel dran zieht. + +![Justiere den Spiegel, um das Interferenzmuster zurückzubekommen, mit dem weißen Schirm angelehnt an den Sensorwürfel](./IMAGES/capture000090.jpg) + +### 7. Programmiere den Calliope, die Temperatur der Heizung und die Lichtintensität zu messen, und über Seriell zu senden + +In Makecode, baue ein Programm, sodass der Calliope die Heizung in langsamen Abständen immer wieder an- und ausschaltet. + +Lies die ganze Zeit Temperatur (analog) und Lichtintensität (analog) aus. Sende die Messwerte über Seriell zum Computer. Sende Namen und Wert in einer Zeile, sodass der Computer die empfangenen Daten auseinanderhalten kann. + +| Funktion | Calliope pin | +| ------------------ | ------------ | +| Heizung | M0 | +| Temperatur-Sensor | P0 (analog) | +| Grove Light Sensor | C16 (A1 RX) | + +![Makecode-Programm, was die Heizung periodisch an- und ausschaltet, Temperatur und Lichtintensität misst, und die Daten per Seriell an den Computer sendet.](./IMAGES/makecode_program.png) + +Öffne die Anzeige der empfangenen Daten unter der Abbildung des Calliope. Es sollten jetzt automatisch 2 schöne Graphen gezeichnet werden, wo sogar die Achsen automatisch skalieren. + +![Makecode Seriellenzeige, mit den empfangenen seriellen Daten als Graphen und Text.](./IMAGES/makecode_graphs.png) + +Die empfangenen analogen Daten entsprechen der Spannung, die der Calliope an den Pins sieht. Er teilt den Bereich zwischen 0V und 3.3V linear in 1024 Teile. Allerdings arbeiten die anderen Bauteile wie NTC und Lichtsensor (Photodiode) nicht linear. Die einfachste Methode, die physischen Größen auf die Messwerte zu kalibrieren, wäre, bekannte Referenzquellen zu nehmen, die Sensoren denen auszusetzen, und den gemessenen Wert zu notieren. Allerdings ist die relative Veränderung der zwei Messwerte als Beobachtung auch gut genug. diff --git a/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/calliope-mirror-heater_EN.md b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/calliope-mirror-heater_EN.md new file mode 100644 index 000000000..41ecb4f6b --- /dev/null +++ b/docs/02_Toolboxes/06_HoloBox/06_HoloBox_plus_Calliope/calliope-mirror-heater_EN.md @@ -0,0 +1,207 @@ +--- +id: MichelsonInterferometer_calliope +title: openUC2 x Calliope Mini 3 Michelson Interferometer (EN) +--- + +# Combine Calliope with the Michelson Interferometer + +## Flyer: Experiment for Schools + +![Calliope Mini 3 in the Interferometer-Experiment](./IMAGES/calliope-in-interferometer.jpg) + +In an Interferometer, a laser-beam is divided, travels separate paths, and is then mixed together again. This results in a ring-pattern on a screen, because constructive and destructive interference happens at the different points. + +In science and and technology, interferometers are often used as sensors, because every tiny change of the light-paths results in a big change in the interference pattern. In this way, turbulences in air become visible or tiny structures on a surface can be measured. + +By heating on of the mirror elements and the resulting expansion of the material, one of the paths shrinks a very small amount. But a change in path length of only 325 nanometers results in an inversion of the interference pattern, which makes it observable by eye and in real-time! + +The Michelson-Interferometer is part of the high school physics curriculum nationwide. Our rugged construction and assembly through "plugging together" also enables practical lessons and labs much earlier. With the Calliope Mini 3, students can program the heating and collect measurements from the experiment, to then i.e. prove physical correlations in their lab report. + +- Assembling the interferometer reinforces the knowledge about the anatomy of the Michelson-Interferometer (task level 1). +- Adjusting the mirrors promotes intuition and requires understanding the functions provided by the the optic components in the assembly (task level 2). +- To design an experiment-method, to program, to collect data and deduce correlations from it is real scientific practice (task level 3)! + +## Anatomy of the heated mirror assembly + +![Annotated photo of the calliope-mirror-heater assembly](./IMAGES/annotated-mirror-heater_EN.jpg) + +### Slide switch: M0 (Calliope control)/USB-C power + +If the plastic lever of the switch is in the left position, the heater can be controlled via Calliope Mini 3's "M0" output. With the lever to the right, the heater is directly connected to the power of the USB-C jack. + +### USB-C jack for use without Calliope + +When a power source is connected here, the heater is heating if the slide switch is set to the right "USB" position. It will heat and only stop heating if the power is removed, the slide switch is toggled, or if there is overtemperature (Over 80°C). + +### Temperature Sensor (NTC) + +The temperature sensor is a resistor with a negative thermal coefficient, so the resistance decreases as temperature increases. The part name is NCP15WF104F03RC by muRata. + +"B constant 25-80°C" is 4303K. The datasheet has a lookup table (Search for "NCP15WF104D"). + +127.1k@20°C,100k@25°C,50.7k@40°C,22.2k@60°C,10.5k@80°C. + +The NTC is on the high side of a voltage divider to 3.3V, with the middle to the positive input of a LM358 op-amp as buffer, and on the low side 49.9k Ohms to GND. + +Best would be to "calibrate" the Calliope ADC values to known temperature references, or to accept arbitrary units. + +### Heating tracks + +The heating track is a single long copper track of the printed circuit board that continues on the back side of the circuit board. The meandering track is 0.2 mm wide, in total 5916 mm long, and printed on 1 oz/sqft circuit board. Its resistance (calculated) should be 14.4 Ohms at 25°C and 17.4 Ohms at 80°C. + +With Calliope M0 at 100%, or USB, there should be 4.6V across the heater. + +### First-surface mirror + +The circular mirror reflects on its first, exposed front surface and has a diameter of 24 mm. + +It is fixed to the heating area of the circuit board with a pad of double-sided tape. + +### 3D-printed insert for cube + +The circuit board is fixed into the 3D-printed part with tape. The side edges of the 3D-print allow it to slide into the top and bottom notches of the UC2 cubes to fix it securely into the cube. With another 3D-printed part, the assembly can be inserted into a cube in a 45° angle. + +### Overtemperature sensor + +This sensor will interrupt the heating if the sensor is above 80°C. It will turn it back on if its temperature falls below 78°C. It will interrupt heating on both modes, Calliope M0 or USB. When heating is interrupted, the yellow LEDs are also off. + +### Yellow LEDs to indicate heating + +Whenever the heating track is powered, one of the yellow LEDs will be lit. On USB-C power or when Calliope M0 is set to a positive value, the top LED will light. If Calliope M0 is set to a negative value, the bottom LED will light. + +### 2x15 pin header with protection cap + +This header can be plugged into the bottom of a Calliope Mini 3, with the calliope's USB port facing away from the mirror. + +This connects to the following Calliope pins: + +| Function | Calliope pin | +| ------------------ | ------------ | +| Heating | M0 | +| Temperature sensor | P0 (analog) | + +## Step-by-step Tutorial + +### What you will need + +![Knolling of parts needed for this experiment](./IMAGES/capture000095.jpg) + +Also, something like a laptop that can program the Calliope. + +### 1. Center the laser on the screen + +Build a Michelson interferometer with a screen, and turn on the laser. Now, look for the screwdriver that fits into the set-screws of the kinematic mirror mounts. It should have Hex drive with size H2. + +![Screwdriver for the kinematic mirror set-screws is H2x75mm.](./IMAGES/capture000078.jpg) + +Adjust the 45° kinematic mirror so that the laser-beam is in the center on the screen. This can be done with just the one kinematic mirror in the experiment. + +![Adjust the 45° mirror using screwdriver](./IMAGES/capture000038.jpg) + +### 2. Set the heater to "M0" mode and plug the Calliope onto it + +On the purple circuit board, slide the switch to the __left__ to put it in the "M0" position. The plastic lever should be on the left side. + +![Slide the switch to the left position](./IMAGES/capture000057.jpg) + +Remove the protection cap from the 2x15 pin header. Pull straight up and be careful not to bend the pins. + +![Pull the protection cap off the pin header](./IMAGES/capture000061.jpg) + +Put the heated mirror assembly into the experiment, in the 5th notch and with the mirror facing the screen. The surface of the mirror should now be perfectly in the center of the cube. + +![Insert the heated mirror assembly into the 5th notch of the cube, with the mirror facing the screen](./IMAGES/capture000062.jpg) + +Now, carefully push the Calliope Mini V3 onto the pin header. The Calliope's USB-C port should face away from the screen. Try to push the pins into the header on both sides so that the pins don't bend. + +![Calliope Mini V3 with the USB port facing away from the screen](./IMAGES/capture000063.jpg) + +![Push the Calliope onto the pins](./IMAGES/capture000064.jpg) + +### 3. Plug the Calliope into USB-C and adjust the mirror to get an interference pattern + +Plug a USB-C cable into the Calliope, and into the laptop to program it. Layout the cable so that it is not in the way, and so that it won't get caught on anything. If the laptop is running and outputs USB power, a red LED on the Calliope should be lit, close to the USB port. + +![Plug a USB cable into the Calliope, and into a laptop](./IMAGES/capture000067.jpg) + +Now, adjust the kinematic mirror in the other interferometer leg until you can see an interference pattern on the screen. Use a screwdriver in the 3 leadscrews to change the angle up/down, left/right and diagonally. + +Hint: The Laserbeam (including dust on the expander lens and the 45°-mirror) is being "copied" by the beam splitter, and should eventually be joined again where both copies align perfectly. Try to align the dust particles that you can see on the screen! If they are aligned, you should start seeing the ring pattern, or a stripe pattern (the edge of the ring pattern). + +Try to bring the central ring fully onto the screen. Around it will be the widest regions of amplification and elimination, which will make it easier to see. + +![Adjust the kinematic mirror in the other leg of the interferometer until you see a ring pattern on the screen](./IMAGES/capture000065.jpg) + +### 4. Program the Calliope to heat the mirror + +First, we want to observe with our eyes what happens when the one mirror of the interferometer is heated. + +On the laptop with a Chromium-based browser (Edge or Chrome), go to makecode.calliope.cc and start a new project. Give the project a name and select v3 (because it is the Calliope Mini 3). + +To heat the mirror, use the block from the "Motors" menu. The purple PCB has its heater track connected to the "M0" pins of the Calliope, so you can leave the default motor number selected. + +![Use the block from the Motors menu](./IMAGES/makecode_motor-menu.png) + +When the motors are run, power will flow through the long conductive track on the circuit board and it will heat up slowly. Because electrically this is just a resistor, it will heat the same whether the motor is set to 100% or -100%. + +While it is heating, you will see one of the yellow LEDs are lit. Setting M0 to + direction will light the top LED, and - direction will light the bottom yellow LED. + +![The yellow LEDs indicate when the heater is heating](./IMAGES/capture000072.jpg) + +If everything is adjusted correctly, you should see the pattern "growing" when the mirror heats up, and "shrinking" when it cools down. The inside of the center ring just changes from dark to bright. + +![Interference pattern appears "growing" when heating the mirror, and "shrinking" when it cools.](./IMAGES/growing-interference-pattern.mp4) + +### 5. Add a light sensor instead of the screen + +With our setup so far, we can control the heating through programming, but we have to observe the pattern with our eyes (or a phone camera). To observe it more scientifically, we should add a light sensor and let the Calliope measure light intensity at a small point in the interference pattern. + +The Grove Light Sensor by Seeed Studio should be in a 3D-printed round part, in between two "master insert" plates. You also need a Grove cable of at least 20 cm length. The cable that comes with the light sensor works. + +![Grove Light Sensor in 3d-print, in 2 master insert plates, and a 20cm grove cable](./IMAGES/capture000075.jpg) + +On the side with the pinhole aperture and the Grove connector, plug one end of the cable into the connector. + +![Plug the cable into the Grove jack on the light sensor](./IMAGES/capture000083.jpg) + +To insert this into a cube, you may have to disassemble the cube that is holding the screen. The sensor cable should come out above the pinhole once it is in the experiment, so stand the light sensor assembly into one half-cube, with the cable on the opposite side of the studs. + +![Stand the light sensor assembly into one half-cube, with the cable on the opposite side of the studs](./IMAGES/capture000084.jpg) + +Close the cube with another half-cube. Make sure the insert sits squarely inside the cube, and that the cube-halves are fully closed. + +![Close the cube with another half-cube.](./IMAGES/capture000085.jpg) + +Push the sensor cube into the baseplate where the screen used to be. + +![Push the sensor cube into the baseplate where the screen used to be.](./IMAGES/capture000086.jpg) + +### 6. Connect with Calliope and re-adjust to get the interference pattern + +Plug the other end of the Grove cable into the "A1" jack on the top side of the Calliope. This will be a little tight but should work if the cable comes out above the pinhole on the sensor side. + +![Plug the Grove cable into the Calliope](./IMAGES/capture000088.jpg) + +Lean the white screen against the cube with the light sensor to see the laserbeam again, and adjust the kinematic mirror in the other leg of the interferometer to get the interference pattern back. The angle of the heated mirror has changed from before, because now the sensor cable is pulling on it. + +![Adjust the mirror to get back the interference pattern, with the white screen leaning against the sensor cube](./IMAGES/capture000090.jpg) + +### 7. Program the calliope to measure the heater's temperature and the light intensity, and send it via Serial + +In Makecode, program the Calliope to periodically turn on and off the heat. + +The whole time, measure temperature (analog) and light intensity (analog). Send the data to the computer via Serial. Send name and value in one line, so that the computer can sort the received data. + +| Function | Calliope pin | +| ------------------ | ------------ | +| Heating | M0 | +| Temperature sensor | P0 (analog) | +| Grove Light Sensor | C16 (A1 RX) | + +![Makecode program that periodically heats, and measures temperature and light intensity, while sending the data via Serial to the computer](./IMAGES/makecode_program.png) + +Below the Calliope graphic, open the received data monitor. It should automatically draw 2 nice graphs, and even autoscale the value range. + +![Makecode Serial monitor view, with the received Serial data as graphs and text](./IMAGES/makecode_graphs.png) + +The received analog values are what voltage the Calliope sees at its pins. It divides the range between 0V and 3.3V linearly into 1024 parts. However, the parts like the light sensor (photodiode) or the NTC don't work linearly. The easiest way to calibrate the physical properties to the measured values would be to use known references, expose the sensors to them, and note the measured value. However, the relative change in the two measured values is good enough.