УДК 004.43,59.30ББК 32.81

К66

КорягинА.В.,СмольяниноваН.М.К66 ФизическиеэкспериментыиопытысLEGOMINDSTORMSEV3. –М.:ДМК

Пресс,2020. –264 с.:ил.

ISBN978-5-97060-867-8

Этакнигапоможетчитателямуглубитьзнаниявобластиробототехникии про-граммирования,используянаборLEGOMindstormsEV3.Универсальностьэтогосредствапозволяетнагляднопредставитьфизическиезакономерностиокружаю-щегонасмира,дляописаниякоторогонаукаоперируетсложнымматематическимаппаратом.Применениепрограммногоинструментариявобластиматематикии программированиянаучитвассоздаватьсложныепрограммыдлявыполненияроботомболееточныхдействийилипроведениянаучныхисследованийсегопомощью.

Преподавателитехнологии,информатики,математикиифизики, атакжепедагогидополнительногообразования,вчастностипонаправлению«Робото-техника»,могутиспользоватьэтукнигувкачествеучебногопособия.Детямэтоизданиепригодитсякакдополнениекшкольномукурсуфизики,поясняющееособенностимногихфизическихявлений,атакжепособиепоразработкесложныхроботизированныхпроектов.

УДК 004.43,59.30ББК 32.81

Всеправазащищены.Любаячастьэтойкнигинеможетбытьвоспроизведенав ка-койбытонибылоформеи какимибытонибылосредствамибезписьменногоразрешениявладельцевавторскихправ.

© КорягинА.В.,2020ISBN978-5-97060-867-8 © Оформление,издание,

ДМКПресс,2020

Содержание

Об авторах ...........................................................................................5

Введение ..............................................................................................6

Условные обозначения в книге ..................................................8

Глава 1 Движение .............................................................................................9

Глава 2 Прямолинейное равномерное движение ...........................14

Глава 3 Относительность движения. Сложение и вычитание скоростей. Принцип относительности Галилео  Галилея ...............................................................................................23

Глава 4 Прямолинейное равноускоренное движение ...................29

Глава 5 Движение вертикально вверх и вниз. Ускорение свободного падения ..............................................44

Глава 6 Криволинейное движение .........................................................53

Глава 7 Движение тела по окружности с постоянной скоростью .......................................................................................... 57

Глава 8 Частота, период ..............................................................................63

Глава 9 Маятники ...........................................................................................68

Список литературы ...............................................................................................................73

Приложение № 1 Относительность движения .......................................................74

Приложение № 2 Конструкция мобильного робота ......................................... 103

Приложение № 3 Вертикальное движение .......................................................... 123

Приложение № 4 Движение по окружности ....................................................... 156

Приложение № 5 Движение по окружности (время и скорость) ................ 175

Приложение № 6 Частота и период .........................................................................177

Приложение № 7 Маятник .......................................................................................... 199

Приложение № 8 Маятник (продолжение) ........................................................... 220

Приложение № 9 Маятник (окончание) ................................................................. 241

Об авторах

КорягинАндрейВладимирович –педагогробототехникии программиро-вания методического центра инновационного развития и  дополнительногообразованиядлядетейи взрослых«Пифаград»г.Воронежа.ВыпускникПен-зенскогогосударственногопедагогическогоуниверситетаим. В. Г. Белинскогофизико-математическогофакультета.Авторкниги«Образовательнаяробото-техника.LegoWeDo».Ведущийспециалиств областиобразовательнойробо-тотехники,обучениядетейязыкампрограммированияи 3D-моделирования.Автор научных статей в  области применения информационных технологийв образовании.

СмольяниноваНатальяМихайловна– экспертобразовательныхтехноло-гий,игротехникИнститутаНовыхТехнологий (ИНТ) г.Москвы.Сертифици-рованныйтренеринтерактивныхсистем«SMART»,«MIMIO»;поработесоб-разовательнымиконструкторами«LEGOEducation»;ментальнойарифметики;«Pertra»,судьянаправлений«FIRSTLEGOLeague»,«Hello,Robot!»робототехни-ческогофестиваля«РОБОФЕСТ»Программы«Робототехника:инженерно-тех-ническиекадрыинновационнойРоссии.

6

Введение

Даннаякнигабудетинтереснакакдетям,таки взрослым,стремящимсяпо-знатьприродуявлений,в томчислеи педагогаместественно-научногоцикла,которыемогутпродемонстрироватьстрогиематематическиевыкладкизако-нови явлениянареальныхпримерах,созданныхс помощьюдетскогороботи-зированногоконструктораLEGOMINDSTORMSEV3.

Этакнигапоможетнагляднопродемонстрироватьмногиеявленияв при-родеи еезаконыв формеигровыхзаданийс уклономв научноеисследование.

Все в  нашеммиреподчиняется законами правилам. Существуют законыВселенной (природы), по которымживет все живое и  неживое. Эти законыи правилазародилисьзадолгодопоявлениячеловечества.ТочкойотсчетаэтихзаконовпринятосчитатьмоментрожденияВселенной,этоеслинебратьпокавовниманиетеориюцикличностив образованииВселенной.

Мыс вамикоснемсяизученияи постижениязаконовприроды,таккакони –этофундаментвсего,чтонасокружает.Естьтакоеизречение –«незнаниеза-коновнеосвобождаетнасотответственности».Данноеизречениенапрямуюсвязанос постижениемнашихтем,таккаконисуществуюти будутсущество-ватьнезависимооттого,знаеммыо нихилинет,дотехпорпокасуществуетВселенная.В школемыизучаемэтиявленияи законыпостепенно,таккакихмного,и сразуохватитьвесьаспектнепредставляетсявозможнымбезопре-деленныхзнаний.

На современном этапе развития науки, промышленности и  техники вы-явлена тенденция четкой, неразрывной взаимосвязи одной науки с  другой.И самымнагляднымпримеромсвязиявляютсяфизика,математика,биологияи машиностроениев направлении«Робототехника».Роботымогутбытьразнойконструкциив зависимостиотзадач,которыеонивыполняют.Работатакихконструкцийзависитотглубинызнанийв областиперечисленныхдисциплин.

Как раз,дорогие читатели,данная книга нацеленапоказатьтесную связьфизики и  математики в  робототехнике. Все представленные экспериментыи опытывысможетевоссоздать,используяконструкторLEGOMINDSTORMSEV3.Ноэтонезначит,чтоматериализложентолькоподиспользованиедан-ногоконструктора.Вывправеиспользоватьлюбойконструктор,который(же-лательно)имеетмикроконтроллер,необходимыйдлясбораи регистрациибы-строизменяющихсяпроцессов.

Дляребятэтоследующийэтапработыс конструкторами,когдамыужесо-бираемнепростодвижущиесяобъекты,подкрепленныенашимсюжетом,нои устройства,которыеприближаютнаск науке,к ролиисследователя,ученого,детектива.

Дляпедагогови родителейэтоотличныйспособчерезигру,черезлюбимыйи понятныйдетямконструкторпомочьв освоениитеоретическогоматериаларазличных естественно-научныхпредметов. Такаяформарешаетнесколькопроблем:

� помогаетпоказатьробототехникунетолькокакконструирование,нокакнаучноеисследование;

� расширяеткурсыробототехникии технологиив школах, учрежденияхдополнительногообразованияи вузах;

� компенсируетнаурокахфизикинехваткулабораторногоинвентарядлядемонстрацииопытов.

Структуракнигиразбитапотемамизкурсафизики.В каждойпредметнойглаверассматриваютсяразличноговидаявленияи эксперименты,начинаяотпростыхвариацийи заканчиваясложными.

Здесь мы охватим такие школьные предметы, как физику (кинематику)и математику.

Желаювамудачногопутешествияв мирзнаний!

Условные обозначения в книге

Разделсодержитнаучнуюинформациюилистрогоматематическиеи теоретическиеформулировки.Путьученого-теоретика.

Разделсодержитинструкциюпосборкемеханизма,устройстваилиэкспериментальнойустановки.Путьинженера.

Раздел,содержащийзадания.Кромепроведенияэксперимента,не-обходимоуметьзаписатьданные,провестирасчети анализ.Люди,справившиесяс этимитипамизаданий,постигнутсутьСИЛЫи ста-нутнапутьджедаяфизики.

Раздел содержит информациюпо навыками теме.Пионер всегдаготов –поэтомуинформирован,значит,подготовлен.Передтемкакприступитьк выполнениюэксперимента,обязательнопрочитайте,чтовыбудетеделать.

9

Глава 1Движение

Ещев древниевременалюдидалидвапонятияо состояниител.Теломожетнаходитьсяв покое,а можетдвигаться.

Чтожетакоедвижение?Согласнообщепринятомуопределению,движение –это изменение положениятела в  пространстве относительно неподвижногообъектас течениемвремени(вболееподробнойформе –изменениекоорди-натыположениятелав пространствеотносительноначалаотсчетас течениемвремени).

Еслинесталкиватьсяс движениемнапрактикеи сопоставлятькаждыйэле-ментопределенияс явлениемдвижения,товрядливозможнопонять«сухую»теорию.Номыс рождениясталкиваемсяс даннымявлениеми можемразли-чатьпростыеформыдвиженияи покоя,исходяизжизненногоопыта.

Такделалии люди,жившиедон.э.,новидовдвиженийпоявлялосьс каждымгодомвсебольшеи больше.Поэтомурешилисформулироватьзакони подкре-питьегоматематическимиформулами,чтобыстрогоразграничитьвидыдви-женийи датьточноеопределение,чтотакоедвижение.

Рассмотримрис.1.1.

Рис. 1.1

Какмывидим,естьдваперсонажа(человечки).Одинстоитнаподвижнойгусеничнойплатформе(самоннедвигается),а второйстоитнеподвижнопа-раллельноему.

10

Параллельность –этокогдадваобъектанепересекаются(некасают-сядругдруга(еслиодинненаходитсявнутридругого)).Например,параллельныепрямые(геометрия):

Двафонарныхстолба,стоящихрядом,бордюрынапрямомучасткедороги(см.рис.1.2и 1.3).

Рис 1.31Рис. 1.2

Конструкция,представленнаянарис.1.1,дастответынарядвопросов:� Чтопроизойдет,еслизапуститьмоторв конструкции?� Какведутсебячеловечкивовремязапускаустановки?� Движениетолькоодностороннее?� Чтоменяетсявовремяработыустановки?� Если два человечка расположить на платформе, они будут двигаться?Еслионибудутдвигаться,тоотносительночего?

Достаточномногопоявилось вопросов,и, чтобырешитьих,намнадо со-братьданнуюконструкцию.Послесборкимыпроведемэксперимент.

См.приложение№1.

1 Фотографиявзятас https://www.deviantart.com/katytonedeff/art/Road-in-190267680.

11

Основныехарактеристикидвижения: –скорость[ ] –векторнаявеличина;

 –перемещение[м] –векторнаявеличина;t –время[с] –скалярнаявеличина;L –путь[м] –скалярнаявеличина.Формула:S=ϑ×t.Формулировкиданныхфизическихвеличинвыизучитев учебни-кахпофизике.

Наэтомэтапевашаконструкцияготова.Теперьееосталосьзапуститьи про-вестиряднаблюдений.Длятогочтобызапуститьнашеустройство,надовклю-читьблокLEGOMINDSTORMSEV3,подключитьмоторк портуB, соединитьблокLegoMindstormsEV3с компьютером.

В компьютере запустить программу LEGO MINDSTORMS Education EV3(LEGOMINDSTORMSEV3).

Нижепредставленпримерпрограммыдлянашейустановки(рис.1.4).

Рис. 1.4

Предварительнозагрузитеи запуститепрограмму,нобезчеловечканакон-струкции,длятогочтобыпроверитькорректностьдвиженияи остановки,такчтобычеловечекнепопалподгусеницу.Выможетенастроитьпрограммуподсвоинуждыилижесоставитьсвою.

Эксперимент № 1Расположитечеловечковсогласнорис.1.1и  запуститеустановку.Проведитеэкспериментнесколькорази попробуйтеответитьнапоставленныевопросыв видетаблицы:

Вопрос ОтветЧто произойдет, если запустить мотор в конструкции?

12

Вопрос ОтветКак ведут себя человечки во время запуска установки?

Движение только одностороннее?

Что меняется во время работы установки?

Если два человечка расположить на платформе, они будут двигаться? Если они будут двигаться, то относительно чего?

Эксперимент № 2Вданномэкспериментемывычислимскоростьдвиженияобъекта(человечка).

Дляэтоговампотребуетсяизмеритьрасстояние,накотороепереместилсячеловечекотпервоначальногоположения.Длярасчетаперемещениязагрузи-тепрограммудляблокаEV3.

Рис. 1.5

Будьтевнимательныв  составлениипрограммы,нужновыбратьвращениемоторанаколичествосекунд.ИспользуяматематическуюформулуS=ϑ×t,вы-числитескорость.

Вседанныезанеситев таблицу.

Перемещение Время Скорость

Будьтевнимательныв единицахизмерения.Принятосчитатьрас-стояниев метрах,времяв секундах,а скорость–в метрахнасекунду.

1см=0,01м=10–2м 1мм=0,1см=0,001м=10–3м1мин=60с 1ч=60мин=3600с

Эксперимент № 3Загрузитепрограммув блокEV3(рис.1.6).

Рис. 1.6

Рассчитайтепуть и  перемещение объекта (человечка). Результатызанеситев таблицу.

Путь Перемещение

Данныепрограммыи  экспериментальная установкаданы в  каче-стве рекомендательного характера. Например, установку можнозаменить на роботизированную тележку (приводная платформа),с которойстолкнулисьвсе,ктоработалнаконструктореLegoEV3.Еслиу васконструкторLegoNXT,тоособоконструктивноничегонепоменяется.Выможетеизменитьпрограммунасвоеусмотрение.