Роботизированные лабораторные работы по физике

РОБОТИЗИРОВАННЫЕ 
ЛАБОРАТОРНЫЕ 
РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ

Пропедевтический курс физики

Белиовская Л. Г.
Белиовский Н. А.

Москва, 2016

УДК 373.016:53
ББК 74.262.23
 
Б43
 

Б43   Белиовская Л. Г., Белиовский Н. А.

  

Это начальный блок несложных робототехнических лабораторных работ пропедевтического курса физики, которые можно проводить на уроках физики в 5-х классах (1–7 лабораторные работы) и 
6-х классах (8–12 лабораторные работы) параллельно изучению теоретического учебного материала. Возможно проведение всех лабораторных работ одним блоком.
Для проведения работ необходимы традиционное оборудование 
кабинета физики, базовый набор LEGO MINDSTORMS Education и 
среда программирования LabVIEW.

                                                                                                            УДК 373.016:53
                                                                                           ББК 74.262.23

Все права защищены. Любая часть этой книги не может быть воспроизведена в какой 
бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения владельцев авторских прав.
Материал, изложенный в данной книге, многократно проверен. Но поскольку вероятность 
технических ошибок все равно существует, издательство не может гарантировать абсолютную 
точность и правильность приводимых сведений. В связи с этим издательство не несет ответственности за возможные ошибки, связанные с использованием книги.

 
               © Белиовская Л. Г. Белиовский Н. А., 2015
                © Издание, оформление ДМК Пресс, 2016

  

На прилагаемом к книге DVD размещены: среда программирования LabVIEW for Education (30-дневная версия), модули для работы 
с микрокомпьютером LEGO MINDSTORMS и датчиками Верньер, 
а также программы в среде LabVIEW для всех лабораторных работ.

Роботизированные лабораторные работы по физике: Пропедевтический курс физики + DVD. – М.: ДМК Пресс, 2016. – 
164 с. : ил.

ISBN  978-5-97060-378-9

ISBN  978-5-97060-378-9

Введение..........................................................................................................5

Перечень.необходимого.оборудования..................................................9

Тематическое.планирование.....................................................................11

Лабораторная.работа.1

Определение.времени.движения.бруска.по.наклонной..
плоскости.................................................................................................18

Лабораторная.работа.2

Изучение.изменений.колебаний.маятника.......................................25

Лабораторная.работа.3

Изучение.колебаний.маятника.на.нити..............................................39

Лабораторная.работа.4

Измерение.пройденного.расстояния.при.движении.бруска.
по.наклонной.плоскости......................................................................49

Лабораторная.работа.5

Изучение.прямолинейного.равномерного.движения.бруска.....63

Лабораторная.работа.6

Изучение.прямолинейного.неравномерного.движения.бруска......80

Оглавление

Оглавление
4

Лабораторная.работа.7

Определение.зависимости.силы.трения.от.веса.бруска..
и.шероховатости.поверхности...........................................................87

Лабораторная.работа.8

Изучение.тепловых.явлений................................................................99

Лабораторная.работа.9

Изучение.магнитных.явлений............................................................ 110

Лабораторная.работа.10

Изучение.электромагнитных.явлений............................................. 120

Лабораторная.работа.11

Изучение.звуковых.явлений............................................................. 130

Лабораторная.работа.12

Изучение.световых.явлений............................................................. 140

Руководство.для.программирования.в.графической..
среде.LabVIEW........................................................................................... 150

Внешний.вид.установок.для.экспериментов....................................... 159

Традиционная методика проведения исследования при демонстрационном эксперименте на уроках физики хорошо известна. С помощью датчиков проводятся замеры исследуемых характеристик 
поля. Как правило, замеры проводятся в нескольких точках, в большинстве случаев случайным образом размещенных в пространстве. 
В таком эксперименте можно говорить лишь о качественных характеристиках процессов.
Если попробовать использовать в эксперименте роботизированные тележки и установки с  возможностью позиционирования в 
пространстве, то можно получить более детальное описание исследуемого физического процесса. В этом случае надо не только создать 
констукцию, но и написать несложную программу перемещения робота в пространстве. Появляется необходимость в проработанном 
сценарии проведения исследования, создания алгоритма работы. 

Место курса в учебном процессе

Комплекс робототехнических лабораторных работ по физике создан 
на основе УМК: Шулежко Е. М., Шулежко А. Т., 5–6 класс. Физика: учеб. книга для 5 класса: в 2 ч. М.: БИНОМ, 2014; Физика: учеб. 
книга для 6 класса: в 2 ч. М.: БИНОМ, 2014. Это начальный блок 
несложных лабораторных работ пропедевтического курса физики, 
которые можно проводить на уроках физики в 5-х классах (лабораторные работы 1–7) и 6-х классах (лабораторные работы 8–12) параллельно изучению теоретического учебного материала. Возможно 
проведение всех лабораторных работ одним блоком.

Введение

Введение
6

Необходимое оборудование

Для проведения работ необходимо на каждую бригаду как традиционное оборудование кабинета физики для лабораторных работ, 
так и дополнительное – персональный компьютер и достаточно новый микрокомпьютер EV3 (Базовый набор LEGO MINDSTORMS 
Education EV3). Все эксперименты можно проводить также с использованием микрокомпьютера NXT предыдущей модификации (Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education NXT). Заметим также, 
что данный конструктор давно успешно используется во многих американских университетах на младших курсах в экспериментальной 
работе. Уже более десяти лет многие школы России оснащены этим 
оборудованием, кафедры робототехники и автоматизации многих 
российских технических вузов проводят со студентами на младших 
курсах лабораторные работы на этом оборудовании. В этих наборах 
имеются штатные датчики, подбор которых довольно разнообразен. 
Для увеличения точности измерений при робототехническом эксперименте можно использовать более точные и профессиональные 
датчики – датчики Верньер (Viernier) или аналогичные по точности, но значительно дешевые по стоимости датчики, разработанные 
российской фирмой «Учтехприбор». С помощью адаптера Vernier 
NXT эти датчики подключаются к роботизированным устройствам 
LEGO Mindstorms Education. Отметим, что, по сравнению со штатными датчиками LEGO Mindstorms Education, эти датчики имеют 
более широкий диапазон измерения величин и высокую точность, 
поэтому  позволяют проводить более тонкие измерения. Конструкции роботизированных установок предельно простые. Можно один 
раз собрать установку и потом проводить с ее помощью серию экспериментов. 

Программирование

Отличительной особенностью роботизированных лабораторных работ является необходимость не только в конструировании простейших приспособлений, но и в программировании процесса автоматизации сбора данных с датчиков. Создание несложной программы 
для физического исследования не применяется практически нигде 
на уроках физики. Во многих известных физических цифровых ла

Введение 

бораториях ставится задача запустить разработанную ранее авторами программу. Способности же школьников, уже настолько далеко продвинутых в IT, никак не включены в процесс исследования. 
Обычно программный комплекс надежно закрыт от вмешательства 
в него, дабы школьнику нельзя было ничего испортить. Теперь же 
предлагается внести в физику наряду с традиционно используемым 
математическим аппаратом возможность программирования. Программирования не абстрактного, а с визуализацией результатов алгоритмических исследований. Полагаем, что учителя физики, зная 
все сложности использования на уроках известных цифровых лабораторий по временным затратам, неодобрительно отнесутся к этому 
моменту. Но апробация показала, что несколько минут (5–7 минут), 
потраченных на написание программы, с лихвой окупятся при получении красивых, информационных графиков не по «трем точкам», а 
по сотням измерений.
Остановимся на выборе среды программирования. Предлагается 
использовать инженерную среду графического программирования 
LabVIEW фирмы National Instruments. Выбор этой современной 
среды программирования не случаен. LabVIEW является фактическим стандартом автоматизации эксперимента в современной науке и производстве. Этот язык программирования высокого уровня 
позволяет составлять программы с сокращенными временными затратами и минимальной подготовкой программистов-школьников. 
Он нагляден и понятен, так как имеет графический интерфейс, и вся 
программа представляется в виде схемы. Она современна и очень 
нравится учащимся.

Как же нам может помочь робот 
при проведении экспериментов?

Прежде всего это автоматизация эксперимента, необходимая для повышения точности измерений. Перемещая в пространстве датчики 
около объектов исследования или сами объекты исследования около датчиков, мы сможем снимать показания с датчиков в нескольких 
точках пространства, сохранять эти измерения, обрабатывать их, 
строить графики изменения физических величин в удобном виде, 
выводить несколько графиков на одно окно. При всем этом можно 

Введение
8

быть уверенным, что показания будут сниматься с постоянным, заданным дискретом по времени или пространству. За этим будет следить компьютер. И мы сможем регулировать и быстро изменять все 
параметры сбора данных.
В среде программирования LabVIEW имеется специальная палитра с пиктограммами функций работы с предлагаемыми датчиками, 
это не усложняет программирование роботов с датчиками  при  проведении экспериментов.
В заключение сделаем некоторые выводы.
Конструирование экспериментальной установки, работа по позиционированию робота, доработка сценария исследования, алгоритмизация, программирование обработки данных и поведения робота – 
все эти составляющие роботизированного исследования позволяют 
проводить прямое исследование физических величин, применяя дидактический принцип сознательности и активности. Использование 
робототехнического моделирования позволяет познакомить школьника с современным процессом проведения физического исследования, поднять интерес к экспериментальной работе, развить физикоматематические способности учащихся и сформировать мотивацию 
к инженерному труду и творчеству.

1. Лабораторная скамейка.
2. Штатив.
3. Шарик на нити.
4. Брусок (желательно металлический, но подойдет и деревянный).
5. Набор грузов с крючками.
6. Полосковый магнит.
7. Подковообразный магнит.
8. Электромагнитный сердечник и цепь для него.
9. Струбцина.
10. Источник питания – батарейка.
11. Кусок нити.
12. Кусок изоляционной черной ленты.
13. Линейка.
14. Пластиковая банка.
15. Материал для крепления: двусторонний скотч, резинки канцелярские.
16. Датчики:
 
датчик касания 2 шт. (из LEGO-набора);
 
датчик освещенности (из LEGO-набора);
 
ультразвуковой дальномер (из LEGO-набора);
 
датчик силы (Верньер или НПП «Учтехприбор»);

Перечень 
необходимого 
оборудования

Перечень 
необходимого 
оборудования 

Перечень необходимого оборудования 
10

 
датчик температуры (Верньер или НПП «Учтехприбор»);
 
датчик магнитного поля (Верньер или НПП «Учтехприбор»).
17. Верньер-переходник к микрокомпьютеру EV3 или NXT, если 
используются Верньер-датчики.
18. 45544 Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education 
EV3, микрокомпьютер EV3 или 9797 Базовый набор LEGO 
MINDSTORMS Education NXT, микрокомпьютер NXT.
19. Персональный компьютер со встроенным микрофоном и установленным программным обеспечением.
20. Среда 
программирования 
LabVIEW 
с 
Toolkit 
LEGO 
MINDSTORMS Robotics и авторская панель работы с датчиками НПП «Учтехприбор». 

Все программное обеспечение и примеры программ для лабораторных работ, рассмотренных в курсе, находятся на прилагаемом к 
книге DVD.

Лабораторная работа 1

Определение времени движения бруска  
по наклонной плоскости

Оборудование: лабораторная скамейка, штатив, брусок, 45544 Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education EV3, два датчика касания, микрокомпьютер EV3, РС.

А
Задание 1. Собираем установку
1-1

B
Задание 2. Создаем программу
1-2

C
Задание 3. Опыт 1
1-3

D
Задание 4. Опыт 2 
Вывод: как зависит величина времени движения бруска 
по наклонной плоскости от высоты крепления желоба

1-3

Е
Дополнительные материалы: результаты выполнения 
опытов
1-4

Лабораторная работа 2

Изучение изменений колебаний маятника

Оборудование: линейка, шарик, желательно с глянцевой поверхностью на нити, штатив, 45544 Базовый набор LEGO MINDSTORMS 
Education EV3, датчик освещенности, микрокомпьютер EV3, РС.

Тематическое 
планирование

Перечень 
необходимого 
оборудования

Тематическое 
планирование

Тематическое планирование
12

А
Задание 1. Собираем установку
2-1

B
Задание 2. Создаем программу
2-2

C
Задание 3. Опыт 1
2-5

D
Задание 4. Опыт 2 
Вывод: как зависит период колебания маятника от длины 
нити

2-6

Е
Дополнительные материалы: фото установки, программа 
для опытов, результаты выполнения опытов, инструкция 
по сборке подставки для крепления (7 шагов)

2-7

Лабораторная работа 3

Изучение колебаний маятника на нити

Оборудование: шарик с глянцевой поверхностью на нити, штатив, 
45544 Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education EV3, датчик 
освещенности, микрокомпьютер EV3, РС.

А
Задание 1. Установка из лаб. работы 2. Модернизация 
программы. Вывод периода колебаний маятника на график
3-2

B
Задание 2. Опыт 1, опыт 2, опыт 3 
Вывод: существует ли зависимость между периодом 
колебания и максимальным отклонением маятника 
от положения равновесия

3-5

С
Дополнительные материалы:  программа для опытов, 
результаты выполнения опытов
3-6

Лабораторная работа 4

Измерение пройденного расстояния 
при движении бруска по наклонной плоскости 

Оборудование: лабораторная скамейка, брусок, штатив, 45544 Базовый набор LEGO MINDSTORMS Education EV3, ультразвуковой 
дальномер, микрокомпьютер EV3, РС.