XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание автоматизированного учебного стенда для физических опытов № 1
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Данная работа посвящена разработке и созданию устройства для демонстрации и расчетов простого физического опыта – скатывание шарика по наклонной плоскости.
Работа является первой из возможных подобных разработок.
Актуальность работы: когда в школе проводится изучение какой-то темы, часто хочется увидеть, как реально происходит то или иное действие или взаимодействие. На тему «Скатывание шарика по поверхности или «Скатывание его по наклонной» встречается очень много задач. Разницу во времени скатывания шарика под углом в 30 и 40 градусов трудно заметить глазом, тогда как при расчетах она достаточно велика. Мой старший брат увлекается физикой, поэтому мы решили создать данный стенд из подручных материалов, чтобы он смог подтвердить свои расчеты практическим опытом.
Цель работы: Создать автоматизированный учебный стенд для физических опытов.
Задачи:
1) Провести поиск и анализ аналогичных устройств. 2) Разработать техническое предложение. 3) Приобрести необходимые материалы и оборудование. 4) Разработать проект устройства. 5) Самостоятельно изготовить необходимые детали и устройства. 6) Создать систему управления и программу на базе роботизированного конструктора Lego Mindstorms EV3.
Для реализации поставленной цели и задач применялись следующие методы, приемы и решения: анализ данных, техническое моделирование, эскизирование, программирование.
Данный проект создавался на стыке различных предметов – технологии, физики, программирования.
Итогом проделанной работы стал автоматизированный учебный стенд для физических опытов № 1.
Научная статья
Как-то так совпало, что при обсуждении различных идей проектов разговор зашел о том, что мой старший брат любит заниматься физикой. Возник вопрос: как провести простейший опыт со скатыванием шарика по наклонной плоскости, как посчитать время и проверить это не расчетным путем, а реальным? Мы начали поиск в интернете, продолжили в школе и выяснили, что такого устройства, которое могло бы показать нам реальное время скатывания шарика по наклонной плоскости, да ещё и под разными углами, просто нет.
Так пришло решение о создании такого устройства.
Во-первых, оно не показалось нам сложным, во-вторых, было бы очень интересно узнать реальное время скатывания до миллисекунд, в-третьих, такое устройство было бы применимо в школе в качестве мини лаборатории. (Приложение 1. Рисунок 1).
Цель проекта - Создание автоматизированного учебного стенда для физических опытов № 1.
Сразу стоит отметить, что № 1 подразумевает, что у нас уже есть идеи по следующим подобным проектам (стенд № 2,3).
Задачи:
1. Проработать техническую часть (механику).
2. Разработать или найти готовую электронную часть проекта (датчики и расчетный модуль).
3. Написать программу для визуализации полученной с датчиков информации.
Для реализации проекта были пройдены следующие этапы:
Этап 1.Исследования.
Этап 2. Создание стенда.
Этап 3. Принцип работы стенда.
Этап 4. Написание программы.
Этап 1. Исследования
В ходе исследования были изучены и рассмотрены различные наборы лабораторного оборудования для уроков физики различных производителей.
Произведен их анализ. Следует отметить, что наиболее часто встречаются наборы для экспериментов с электричеством и оптикой. (Приложение 1. Рисунки 2, 3). Среди наборов с «механикой» встречаются как наборы, позволяющие проводить аналогичный опыт, так и просто нарисованные (виртуальные). (Приложение 1. Рисунок 4). Рассматривать нарисованные смысла нет, а вот среди наборов с подобным опытом мы выделили один, наиболее близкий с электронным хронометражем. (Приложение 1. Рисунки 5 – 8).
При внимательном рассмотрении и его описании мы выявили следующие недостатки:
– Сложно четко установить нужный угол.
– Шарик может уйти с прямой траектории.
– При запуске человек может придать шарику ускорение или наоборот
притормозить его.
– Нет возможности сохранять и обрабатывать полученные результаты.
Этап 2. Создание стенда
Рассмотрев все возможности, мы пришли к выводу, что создаваемый нами стенд должен иметь следующие характеристики:
Быть максимально независимым от воздействия человека.
Автоматически подниматься на нужный угол.
Шарик не должен менять траекторию и/или выкатываться с поля до окончания опыта.
Устройство должно быть простым и компактным. Удобным в хранении. По возможности легко устанавливаться на стол и иметь возможность для закрепления на стене.
Мы решили, что это должен быть короб или коробка, внутри которого размещены все необходимые элементы. Из доступных деталей у нас был конструктор Lego Mindstorms EV3. В его комплекте уже имелись датчики, моторы, и миникомпьютер с экраном. Дополнительные детали – алюминиевый П-образный швеллер, лист МДФ и фанеру мы приобрели в ближайшем строительном магазине. (Приложение 1. Рисунок 9).
Швеллер был разрезан на отрезки с таким условием, чтобы позволял двигаться поднимаемой части и расстояние между датчиками составляло – 300 мм. Края швеллера обработаны для безопасной работы. В том месте, откуда стартует шарик сделано углубление.
Из фанеры и МДФ был сделан короб. (Приложение 1. Рисунок 10).
Из конструктора Лего сделаны все остальные детали, которые удерживают швеллер, поднимают и опускают его. К этим деталям присоединены 2 датчика и моторы. Моторы и датчики подключены к блоку EV3 (Приложение 1. Рисунок 11).
Этап 3. Принцип работы стенда
Шарик устанавливается в углубление. Размер шарика точно соответствует внутреннему размеру швеллера. Выбирается необходимая программа. Программы разделены по установочным углам. После запуска программы направляющая поднимается на установленный угол. Если угол мал, то средний мотор Лего, медленно поворачиваясь, выталкивает шарик из углубления. Шарик попадает под первый датчик и катится вниз до второго датчика. Расстояние между ними фиксировано и составляет 300 мм. Полученные данные о времени прохождении шарика между датчиками высвечиваются на экране блока EV3. После этого направляющая опускается, блок готов к запуску следующей программы или повтору предыдущей.
Этап 4 . Программа
Суть работы программы соответствует функционалу стенда. После того как направляющая поднята, программа ожидает изменения от первого датчика. Как только параметры его меняются при прохождении шарика, включается таймер. После изменения параметров у второго датчика (шарик докатился), таймер останавливается, значения таймера поступают в текстовом (цифровом) виде на экран блока EV3 и высвечиваются в течении 10 секунд. После этого большой мотор опускает направляющую. Программа выполнена. (Приложение 1. Рисунок 11).
Заключение
Созданный нами стенд - рабочая система, которая более универсальна и многогранна в применении. Система может быть реализована на других контроллерах с применением других систем и датчиков.
Выводы:
Проект по созданию автоматизированного учебного стенда для физических
опытов № 1 создан и находится на этапе испытаний.
Проект может быть доработан для различных расчетов с использованием получаемых значений.
Система легко реализуема и может быть воспроизведена в школе на уроках технологии.
Перспективы: планируется разработка подобных стендов с другими опытами. Например, с зубчатыми колесами и блоками.
Перечень используемых источников и литературы
Электронная библиотека книг . –
https://itexts.net/files/online_html/154365/i_060.jpg
Официальный сайт ООО «Инфоурок». -https://ds03.infourok.ru/uploads/ex/0bee/00052885-c0bca1ce/img11.jpg
Электронно-библиотечная система Znanium. - https://fs.znanio.ru/methodology/images/eb/2c/eb2cc7d52a03b3971a3ea11d1197e2719fdb363e.jpg
Овсяницкий, Д.Н. Курс конструирования на базе платформы Lego Mindstorms EV3/ Д.Н. Овсяницкий, Л.Ю. Овсяницкая, А.Д. Овсяницкий. – М.: «Перо», 2019. – 352 с. ISBN 978-5-00122-599-7
Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3/ Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.
Приложение
Р исунок 1 – Опыт Галилео
Рисунок 2 – Электротехнический набор
Рисунок 3 – Набор оптика
Рисунок 4 – Наборы механика.
Р исунок 5 – Механика с электронным таймером
Рисунок 6 – Лабораторные устройства
Рисунок 7 – Самодельные устройства
Рисунок 8 – «Виртуальные» стенды
Рисунок 9 – Состав стенда
Рисунок 10 – Автор проекта за работой
Рисунок 11 – Готовый проект
Рисунок 12 – Программа стенда