«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ ТЕЛ» С ПОМОЩЬЮ РОБОТА «LEGO MINDSTORMS. EDUCATION EV3»

Министерство образования республики мордовия

Муниципальное бюджетное

учреждение дополнительного образования

«Центр дополнительного образования детей «ЮНИТЭР»

Рузаевского муниципального района

«ИССЛЕДОВАНИЕ СВОБОДНОГО ПАДЕНИЯ ТЕЛ»

С ПОМОЩЬЮ РОБОТА «LEGO MINDSTORMS. EDUCATION EV3»

Автор: Огурцов Никита Павлович, 15 лет

Руководитель: Садыков Гизар Фагимович, педагог дополнительного образования,

МБУ ДО «ЦДОД «ЮНИТЭР»,  Рузаевского муниципального района,

Карпушина Ирина Павловна, учитель физики МБОУ «СОШ №17» Рузаевского муниципального района

Рузаевка, 2018 г.

Проект «Исследование свободного падения тел»

Данный проект позволяет автоматизировать процесс многократного вычисления значений физических величин  характеризующих свободное падение тел, с большой точностью.

Лабораторная работа «Определение ускорения  свободного падения тел»

с помощью робота «LEGO MINDSTORMS. Education EV3»

Введение. Цель работы. Оборудование

Лабораторная работа посвящена исследованию ускорения свободного паде­ния. В школе на уроках физики  мы изучали движение тела под действием силы тяжести, которое называется свободным падением, и движении тела, брошенного вертикально вверх. Вооружившись этими знаниями,  я решил провести  экспериментальное исследование ускорения свободного падения, используя робот «LEGO MINDSTORMS. Education EV3». Чтобы провести эту лабораторную работу, я собрал установку для снятия показаний движения падающего тела.

Самое сложное в этой лабораторной работе измерение времени свободного падения тела, которое очень трудно измерить точно человеку, даже если у него  очень хорошая реакция. С этой задачей должен хорошо справиться робот EV3.

Краткая теория

Зная, что движение у нас равноускоренное, с нулевой начальной скоростью, мы используем уравнение для вычисления ускорения свободного падения.

На­чаль­ная ско­рость у па­да­ю­ще­го тела V₀=0. Рас­сто­я­ние, ко­то­рое про­хо­дит тело, опре­де­ля­ет­ся урав­не­ни­ем: 

    S=g_* t² / 2 + V_{0 *}t      

Из этого урав­не­ния сле­ду­ет фор­му­ла для вы­чис­ле­ния уско­ре­ния сво­бод­но­го па­де­ния: 

g=2_*S / t²

Нужно только уметь измерять время свободного падения тела t и S = Н,  высоту, с которой шарик будет свободно падать.

Конструирование и сборка лабораторного оборудования для исследования свободного падения тел

1.   Подобрали площадку, горизонтальный уровень, которой можно выставлять по уровню.

2.   Просверлив ее, вставили вертикально деревянный черенок цилиндрической формы диаметром 25 мм. Рис. 1.

3.   На стержень установили горизонтальную деревянную площадку размером 150 х 300 мм, предварительно просверлив отверстие диаметром 25 мм. Площадка может быть зафиксирована любой на высоте от 20 до 95 см.

4.   На площадку установили серводвигатель, который «сбрасывает» стальной шарик и одновременно запускает таймер робота, нажимая на датчик касания №1. На площадке закреплен  блок EV3, соединенный кабелями с датчиками касания. Рис. 2.

5.   Падающий шарик нажмет на второй датчик касания №2, который остановит таймер робота. Рис. 3.

            

      Рис. 1.                                              Рис.2.                                             Рис. 3.

Краткое описание установки и хода наблюдения изучаемого явления

Рис. 4. Изображение робота для определения ускорения свободного падения тела.

Оборудование: микрокомпьютер из конструктора «LEGO MINDSTORMS. Education EV3», двигатель с сервоприводом, два датчика касания, лента от рулетки с миллиметровыми делениями, стальной шарик диаметром 10 мм.

             Рис. 4

Ход лабораторной работы

Ученик устанавливает  высоту Н, с которой шарик будет свободно падать и вводит эти значения в EV3, которые записываются как переменная.

Затем при включении робота сбрасывается стальной шарик (за счет сервопривода) и робот начинает отсчет времени падения шарика по внутреннему таймеру (до момента срабатывания датчика касания, который останавливает таймер).

По программе робот, используя математический блок, рассчитывает ускорение свободного падения по формуле g = 2*Н/t², м/с².

После окончания вычислений робот выводит на дисплей значение высоты с которой падает шарик H, времени падения шарика t и   вычисленное значение ускорение свободного падения g.

Полученные данные вносятся в таблицу

№	Высота Н	Время дви­же­ния t , с	Ускорение свободного падения    g = 2Н/t2, м/с2	Абсолютная погрешность Dn= g n– gд =  м/с2	Относительная погрешность измерения Dn/gn*100%
1.	70
2.	70
3.	70
4.	70
5.	70
6.	60
7.	60
8.	60
9.	60
10.	60
11.	50
12.	50
13.	50
14.	50
15.	50

 Погрешности измерений

 По­греш­но­сти из­ме­ре­ния уско­ре­ния сво­бод­но­го па­де­ния. Для этого необ­хо­ди­мо из зна­че­ния, по­лу­чен­но­го нами, вы­честь ис­тин­ное зна­че­ние (для г. Саранск g_д =9,814 м/с²) и раз­де­лить на ис­тин­ное зна­че­ние уско­ре­ния сво­бод­но­го па­де­ния, при­чем ре­зуль­тат вы­ра­зить в про­цен­тах.

Погрешности измерений https://studfiles.net/preview/6269920/ 

При­чи­ны обу­слав­ли­ва­ющие на­ли­чие по­греш­но­стей:

а) неточность определения высоты свободного падения тела (на «глазок»);

б) неодновременность начала свободного падения тела и начало отсчета времени по таймеру робота (срабатывание датчика касания № 1);

в) при срабатывании нижнего датчика касания (№ 2) не учитывается, что движение шарика равнозамедленное (кнопка датчика подпружинена).

Выводы из ла­бо­ра­тор­ной ра­бо­ты:

Вывод: выполнив данную работу ускорение свободного падения составило ____ м/с², при измерении с помощью «LEGO MINDSTORMS. Education EV3».

Относительная погрешность Dn/g_n*100%. Результат отклоняется от табличного значения на __%, измерен с достаточной точностью.

Следовательно, измерение при помощи робота «LEGO MINDSTORMS. Education EV3», в данных условиях, дает точный результат.

Краткое описание документа:

Проект «Исследование свободного падения тел»

Лабораторная работа по исследованию ускорения свободного паде­ния. В школе на уроках физики мы изучали движение тела под действием силы тяжести, которое называется свободным падением, и движении тела, брошенного вертикально вверх. Вооружившись этими знаниями, я решил провести экспериментальное исследование ускорения свободного падения, используя робот «LEGO MINDSTORMS. Education EV3». Чтобы провести эту лабораторную работу, я собрал установку для снятия показаний движения падающего тела.

Самое сложное в этой лабораторной работе измерение времени свободного падения тела, которое очень трудно измерить точно человеку, даже если у него очень хорошая реакция. С этой задачей должен хорошо справиться робот EV3.

Данный проект позволяет автоматизировать процесс многократного вычисления значений физических величин характеризующих свободное падение тел, с большой точностью.