Введение

Физика – одна из основных естественных наук, которая занимается изучением закономерностей наиболее общих форм движения материи. И особую роль в физике, среди методов исследования, занимает – эксперимент. Однако эксперименты, которые, в настоящее время, предлагаются в лабораторном практикуме в школе [1], можно разнообразить за счет использования дополнительного оборудования. При этом можно пойти по пути создания самодельных приборов [2] или воспользоваться какими-либо конструкторами [3]. Таким образом, изучение физики, а вместе с этим и технологии (сборка устройств, схем и т.п.), можно проводить с особенным интересом используя и такой набор для конструирования, как LEGO MINDSTORMS. Конструктор датской компании LEGO очень удобен, для создания различных физических моделей в которых может быть реализована «физика» [4]. Поэтому использование набора Lego актуально применять на уроках физики. Таким образом, целью нашего исследования будет – использование конструктора Lego Mindstorms для проведения физического эксперимента. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. построить модель для проведения эксперимента;
   
2. написать программу и прошить микроконтроллер NXT;
   
3. провести эксперимент и проанализировать результаты.
   

Объектом исследования является физический эксперимент. Предметом исследования является определение ускорения свободного падения с использованием конструктора Lego.

В качестве основного научного метода исследования выберем статистический, экспериментальный метод исследования. Следует заметить так же, что необходимо провести и теоретико-аналитический подход в вопросе определения ускорения свободного падения g. Определение ускорения свободного падения является весьма значимой величиной. Во многом это определяется тем, что, например, в
геофизике это позволяет исследовать внутреннее строение Земли и находить полезные ископаемые (нефть, газ и т.д.), а в геодезии – для построения модели геоида (навигация).

Использование конструктора Lego для проведения подобного рода эксперимента уже было показано в работе [5]. Однако, как там же и отмечалось, были и недостатки, которые мы постарались устранить.

Описание работы

Итак, в качестве экспериментальной основы используем набор для конструирования Lego, и построим модель для проведения физического эксперимента, а именно – измерению ускорения свободного падения. Первоначально опишем схему экспериментальной установки, которая изображена на рис. 1.

Экспериментальная установка представляет собой стол, на котором лежит тело массой m₂, нить, один конец которой привязан к этому грузу, а другим через подвижный блок, вращающийся с незначительным трением (трением можно пренебречь) вокруг горизонтальной оси, привязан к грузу массой m₁ (m₁ < m₂). За счет груза массой m₁, в поле силы тяжести, вся система тел приходит в поступательное движение с ускорением а. Однако, тело массой m₂ находится на поверхности стола, а поэтому при движении системы, начинает скользить по поверхности. В движущейся, таким образом, системе на тело массой m₂ действует «значительная» сила трения скольжения. Чтобы исключить трение скольжения, мы заменим тело массой m₂ на тележку массой m₂ (заменяя трение скольжения трением качения) и в рассмотренной системе пренебрежем трением качения. Полученную систему грузов, можно рассматривать, как идеальную систему и используя второй закон Ньютона записать формулу для нахождения ускорения свободного падения:

g = a·(m₂+m₁)/m₁,    (1)

а т.к. a – ускорение системы тел равно

a=2l/t²,    (2)

где l – некоторое расстояние, которое проходит тележка по столу, t – время необходимое для преодоления этого расстояния. Как видно из формулы (1), для определения ускорения свободного падения, надо найти ускорение самой системы а, которая, в свою очередь, определяется расстоянием – l и временем – t. Но путь, пройденный тележкой, измерить легко, а потому будем считать, что – l нам
известно, а значит остается найти только время t. Для вычисления времени, воспользуемся двумя кнопками, входящими в стандартный комплект NXT. Одна из кнопок будет стартовой, и располагаться в начале пути, а вторая будет финишной и находиться в конце пути. Обе кнопки будут подключены к одному блоку NXT, и именно с этого блока будет осуществляться запуск программы, для вычисления времени движения системы. Техническая реализация этих идей изображена на рис.2. Для измерения времени была написана программа на NXT 2.0. рис.3.

Рис.2. Подвижная тележка, NXT и два датчика касания.

Рис.3. Код программы для прошивки микроконтроллера NXT.

Теоретическое значение ускорения свободного падения хорошо известно и равно 9,8 м/с². Воспользуемся формулами (1) и (2) для вычисления g и проведем эксперимент. Для проведения эксперимента с использованием описанного оборудования, мы использовали тележку массой m₂ = 60 г и тело перекинутое через блок массой m₁ = 37 г. Длина пути l = 0,23 м. Результаты эксперимента представлены в таб.1. а_ср. = 3,707 м/с², g _ср. = 9,8185 м/с². Получаемое значение ускорения свободного падения находится в достаточно хорошем согласии со значением g ≈ 9,81 м/с², а относительная погрешность в определении g составляет 0,08%.
Результат полученный в [5] был несколько хуже. Такой хороший результат эксперимента, объясняется тем, что мы минимизировали влияние человека на эксперимент, изменили схему эксперимента и написали обновленный код программы.

Таблица 1. Результаты эксперимента

Заключение

В данной работе решена одна из задач классической механики связанная с определением ускорения свободного падения. Теоретическое описание и решение задачи не составило труда, но ее экспериментальное (практическое) воплощение потребовало более тонкого подхода. Результаты работы могут быть использованы для проведения физического эксперимента в школе. В частности, можно использовать установку при изучении темы связанной с движением тела в поле силы тяжести. В работе показано не стандартное использование микроконтроллера NXT, c помощью которого можно провести измерения g. Это позволит расширить экспериментальные методы исследования учащихся, которые опираясь на данную методику, могут предложить и другие способы измерения различных величин. Например, в работе можно поменять тележку на брусок и поставить задачу по определению коэффициента трения или рассмотреть задачу о движении тела по наклонной плоскости и т.д.

1. Физика: учеб. для 10 кл. общеобразоват. учреждений: базовый уровень / Г. Я. Мякишев, Б. Б, Буховцев, Н. Н. Сотский; под ред. Н. А. Парфентьевой.— М.: Просвещение, 2014. — 416 с.
2. Лебедев В.В. Самодельные установки в школьном курсе физики // Всероссийский Съезд учителей физики в МГУ: сборник трудов (Москва, 28-30 июня 2011 г.). — Москва, 2011. — С.64-66.
3. Бахметьев А.А. Знаток «999 схем».Руководство пользователя //М.: Издательство: Знаток, 2011. – 121 с.
4. Минкин А.В.Набор для конструирования Lego Mindstorms на уроках физики в школе // Всероссийская научно-методическая конференция “Физико-математическое образование: проблемы и перспективы”, посвященной 60-летнему юбилею физико-математического факультета сборник трудов (Елабуга, 24-26 октября 2013 г.). — Елабуга, 2013. — С.41.
5. Минкин А.В. Использование Lego Mindstorms для измерения ускорения свободного падения // Современные научные исследования и инновации. 2014. № 3 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2014/03/31639 (дата обращения: 09.02.2015).

Все статьи автора «Минкин Александр Владимирович»