Прикладная физика в робототехнике

Муниципальное общеобразовательное учреждение

«Чучковская средняя школа»

Индивидуальный проект

«Прикладная физика в робототехнике»

Проект выполнили учащиеся 8-А класса

 Мердишова Анастасия, Савина София.

Руководитель проекта                                                                  

Чекалина Ольга Юрьевна,

учитель физики.

р.п. Чучково

2023

Содержание

1. Введение ----------------------------------------------------------------------------------3

2. Основная часть:

2.1 Что такое робототехника? ------------------------------------------------------------4

2.2 Первые роботы -------------------------------------------------------------------------4

2.3 LEGO--------------------------------------------------------------------------------------4

2.4 Этапы работы с конструктором LEGO---------------------------------------------4

2.5 Ожидаемый результат ----------------------------------------------------------------4

2.6 Производство «зеленых» деталей из сахарного тростника -------------------5

2.7 Разработка деталей из переработанного пластика ------------------------------5

2.8 Результаты исследования учёных --------------------------------------------------5

3. Цифровая лабораторная работа ------------------------------------------------------5

4. Подведение итогов ----------------------------------------------------------------------9

Источники ----------------------------------------------------------------------------------10

1.Введение

Среди множества научных дисциплин физика является одной из самых интересных. Благодаря ей постигается множество процессов, совершенствуются технологии и совершаются открытия.

Чтобы все изобретенные машины и технологические решения успешно были введены в эксплуатацию, ученым приходится заниматься разгадыванием многих сопутствующих задач. В этом им помогает прикладная физика. Она включает комплекс знаний, целью которого является поиск решений для конкретных технологических и практических проблем. 

Изучив информацию по данной теме, мы узнали, что к основным целям прикладной науки относятся:

-изучение общих закономерностей существования природы, а также строения и физических свойств материи;

-использование математики в качестве основы для проведения расчетов.

-проведение экспериментов с целью доказательства теоретических результатов.

Робототехника объединяет знания о физике, мехатронике, технологии, математике и ИКТ.

Значит, что физика может объяснить ряд физических свойств робототехники, поэтому мы выбрали тему «Прикладная физика в робототехнике».

 Цель: 

- изучение влияния прикладной физики на робототехнику (на примере конструктора LEGO)

Задачи: 

- изучить физические принципы работы датчика температуры;

- снимать и обрабатывать результаты измерения датчика температуры;

- вести непрерывный мониторинг значения физических величин в            ходе опыта в течение указанного времени;

- выводить на экран на протяжении всего хода опыта в виде численных значений, числовой шкалы с указателем, таблиц значений и графиков;

- pазвивать у школьников интеpес к моделиpованию и конструированию, стимулиpовать детское научно-техническое твоpчество;

- yчить видеть констрyкцию объекта, анализировать её основные части, их фyнкциональное назначение;

- закреплять знания детей об окружающем мире;

-совeршенствовать коммyникативные нaвыки дeтeй при рaботе в паре, коллeктиве, распрeдeлeние обязaннoстей;

- выявлять и обeспeчивaть дальнейшее развитие одаренных, тaлaнтливых дeтeй, облaдaющих нeстaндартным мышлeниeм, спoсoбнoстями в кoнстрyктивнoй деятeльнoсти.

Гипотеза.

 Предполагаем, что конструктор LEGO обладает   большой удельной теплоёмкостью, которая может учитываться при строительстве.

Методы исследования:

-наблюдение;

-фотографирование;

- сравнение;

- эксперимент (опыт).

Актуальность:

-В современной России наблюдается сильнейший дефицит качественных молодых инженерных кадров для существующих и развивающихся предприятий.

-Современная молодежь не имеет навыков работы руками и плохо взаимодействует в команде.

2.Основная часть

2.1 Что такое робототехника?

Робототехника – одно из самых передовых направлений науки и техники, а образовательная робототехника является относительно новым междисциплинарным направлением обучения, воспитания и развития детей. Объединяет знания о физике, мехатронике, технологии, математике и ИКТ.

2.2 Первые роботы

Первые мысли к созданию роботов возникли еще до нашей эры: в середине 3-го тысячелетия египтяне изобрели «думающих машин» - внутри статуй прятались жрецы, чтобы давать предсказания и советы.

Один из первых роботов был построен американским инженером Венсли в 1925 году. Автор дал ему имя мистер Телевокс.

Телевокс обладал способностью слышать и исполнять несколько различных приказаний, отдаваемых человеком при помощи звуков свистка. Подавая различное число повторных свистков, Венсли мог заставить робота открыть окна, закрыть дверь, пустить в ход вентилятор и пылесос, а также зажечь свет в комнате.

2.3 LEGO

Мозгом модели является ЛЕГО-микрокомпьютер (ранее RCX, сейчас его сменил NXT). К портам этого микрокомпьютера подсоединяются датчики и исполнительные механизмы. Робот собирается из пластмассовых деталей и может выглядеть как человек, машина, животное и выполнять различные функции.

2.4 Этапы работы с конструктором LEGO     

 1 этап.    

 Ребенок анализирует поделку, которую ему предстоит сконструировать, выявляет условия достижение цели, планирует последовательность работы над ней, подбирает необходимые детали, и определяет практическое умения, навыке, с помощью которых цель будет достигнута;

2 этап.

Ребёнок приступает к непосредственному созданию поделки. При этом он учится подчинять своё поведение поставленной перед ним задаче.

3 этап.

Ребёнок анализирует результаты деятельности. Конечным результатом работы должна быть не только созданная поделка, но и формирование у ребёнка определённого уровня умственных действий, конкретных практических навыков и приёмов работы, умений как неотъемлемой стороны трудовой деятельности.

2.5 Ожидаемый результат:

- развитие мышления, навыков мышления и изобретательности;

- развитие мелкой моторики, внимания, аккуратности;

-повышение мотивации к созданию собственных разработок;

- поиск качественного результата;

- развитие ответственности при командной работе.

2.6 LEGO запустила производство «зеленых» деталей из сахарного тростника

Компания LEGO, известная своей любовью к экологически чистым продуктам, решила отойти от производства пластика из нефти, и вместо этого создала новый вид деталей из этанола, оставшегося после синтеза биотоплива.

Компания LEGO объявила, что начала производство линейки деталей из сахарного тростника. Первая серия, соответственно, и внешне будет выполнена в форме растений и деревьев. Несмотря на то, что это лишь крошечная доля от всех продуктов, представители компании уверяют, что это первый и очень важный шаг в сторону более экологически чистого производства.

2.7 LEGO разрабатывает детали из переработанного пластика

Бренд игрушек LEGO создал свои первые прототипы кирпичиков из переработанного полиэтилентерефталата — распространенного термопласта, используемого для таких продуктов, как бутылки и одежда.

Датская компания нацелена на то, чтобы к 2030 году производить всю свою продукцию из экологически чистых материалов. Прототип кирпичика, который разрабатывался в течение последних трех лет, был изготовлен из использованных пластиковых бутылок.

2.8 Результаты исследования учёных

Обычный блок конструктора LEGO обладает удивительными свойствами, особенно учитывая, что это обычный АБС-пластик. С точки зрения материала блок LEGO никак не может быть лучше  других изоляторов.

Однако его превосходство над конкурентами заключается не в материале, а в геометрии структуры: наличие пустот внутри каждого блока и плотное соединение между блоками, схема.           Конструктор LEGO позволяет создавать новые структуры поделок.

3.Цифровая лабораторная работа

14 сентября 2021 года на базе МОУ «Чучковская СШ» начал функционировать Центр естественно-научного и технологического направленностей «Точка Роста». В рамках реализации федерального проекта «Современная школа» национального проекта «Образование» наша школа получила учебное оборудование по разделам физики: «механика», «молекулярная физика», «оптика», «электродинамика».

Особенно нас заинтересовало оборудование, входящее в  раздел «механика».

Оборудование было предоставлено многочисленными датчиками, один из которых «датчик определения  температуры» нам был необходим для проведения лабораторной работы.

 «Сравнение удельной теплоемкости металлического цилиндра и кубиков LEGO»

Цель:

-определение значения удельной теплоемкости металлического цилиндра и кубиков LEGO.

Задачи:

-Собрать данные об изменении температуры воды и деталей цилиндра и кубиков.

-Обработать результаты измерения датчика температуры

-Рассчитать удельную теплоемкость металлического цилиндра и кубиков LEGO

ОПЫТ 1.

Определение удельной теплоемкости алюминиевого цилиндра

Номинальная температура 800 С

Вывод: температура  алюминиевого цилиндра  в холодной воде равна 32,6 ᵒC.

Нахождение удельной теплоёмкости алюминиевого цилиндра.

с1-удельная теплоёмкость воды

m1- масса воды

t1- температура холодной воды

t2-температура цилиндра в тёплой воде

t - температура смеси

m2-масса цилиндра

Вывод: удельная теплоёмкость  алюминиевого цилиндра равна 896,3 Дж/(кг·°C) 

ОПЫТ 2

Определение удельной теплоемкости кубиков LEGO.

Вывод: температура кубиков LEGO в тёплой воде равна 54,8ᵒC.

Нахождение удельной теплоёмкости кубиков LEGO.

с1-удельная теплоёмкость воды

m1- масса воды

t1- температура холодной воды

t2-температура кубиков в тёплой воде

t-температура смеси

m2-масса кубиков

Вывод: удельная теплоёмкость кубиков LEGO равна  8149,7Дж/(кг·°C) 

Сравнительная характеристика.

ВЫВОД:

Сделав лабораторную работу, мы убедились, что конструктор LEGO обладает   большой удельной теплоёмкостью. Причём, удельная теплоёмкость кубиков во много раз больше удельной теплоёмкости алюминиевого цилиндра. Этим мы доказали, что наша гипотеза верна, что кубики LEGO обладают   большой удельной теплоёмкостью, которая может учитываться при строительстве. Данное свойство может учитываться в строительстве при конструировании блоков.

Роботы, изготовленные обучающимися 8 «А» класса.

Используя комплект деталей LEGO, мы сделали первые шаги в робототехнику, создав модели с движущимися частями: «Лягушка», «Динозавр», «Машина», «Дровосек» и другие.

Пакеты с дополнительными кубиками LEGO позволяют собрать собственные модели, вдохновляя на творчество.

           «Дровосек»                                                                             «Лягушка»  

«Сборка модели движущейся машины»                                   «Обучающиеся начальных  

                                                                                                      классов в кабинете физики»             

«5 «А» в кабинете физики»

Вывод.

Занятия робототехникой развивают:

-мышление;

-навыки изобретательности;

-мелкую моторику;

- внимание.

Повышают ответственность при командной работе, повышают мотивацию к созданию собственных проектов.

4.Подведение итогов

Проектная деятельность позволила нам:

- изучить физические принципы работы датчика температуры и нaучиться обрабатывать результаты измeрения датчика тeмпературы;

-вeсти непрерывный мoниторинг знaчения физических величин в ходе опыта в течeние указанного времени;

 -вывoдить на экран на прoтяжении всего хода опытa в виде численных знaчений, числовой шкалы с указателем, таблиц значений и грaфиков;

- доказали, что Конструктор позволяет детям рабoтать в кaчестве юных исследoвателей, инжeнеров, матeматиков. Ребятa сoбирают и программируют действyющие мoдели, а зaтем испoльзуют их для выполнения задач, по сути являющихся упрaжнениями из образовательных областей:

социально-коммyникативные, познaвательное и речeвое рaзвитие.

Мы считаем, что цель проекта достигнута. Изучены физические свойства конструктора LEGO, которые доказывают, что он  обладает   большой удельной теплоёмкостью, которая может учитываться при строительстве. Значит, что гипотеза наша верна.  

Источники:

1. https://fishki.net/2719460-10-interesnyh-faktov-o-konstruktorah-lego-kotorye-vas-tochno-udivjat.html

2. https://www.exoforce.ru/statji/lego-istoria

3. https://www.exoforce.ru/statji/lego-fakti

4. https://www.techinsider.ru/diy/news-413252-lego-zapustila-proizvodstvo-zelenyh-detaley-iz-saharnogo-trostnika/

5. https://www.interior.ru/design/12355-lego-razrabativaet-detali-iz-pererabotannogo-plastika.html

6. https://nplus1.ru/news/2018/03/05/lego-bioplastic