Образовательная робототехника на уроках физики. Создание лабораторной установки для изучения темы «Индукционный ток»

Современное развитие науки и техники дает сфере образования широкие возможности для повышения качества условий и результатов образовательного процесса. Особенно актуальным сегодня является применение инновационных информационно-коммуникационных и педагогических технологий в сфере инженерного образования. Данная статья посвящена использованию средств и технологий образовательной робототехники в изучении курса физики в старшем звене.

Авторы проекта

: Радцев Никита, Данилин Александр.Руководитель проекта: Брынин Георгий Эдуардович, учитель информатики МБОУ «Гимназия №42»,зам. директора по информатизации.

Использование технологий образовательной робототехники на уроках физики

В 11-м классе гимназисты в курсе физики изучают темы \”Электромагнитное поле\” и \”Электромагнитная индукция\”. Изучение данных тем проводится обычно с использованием традиционного лабораторного оборудования: постоянные магниты, амперметры, вольтметры, катушки индуктивности и др. На основе этого оборудования собираются различные установки для демонстрации процессов и явлений, рассматриваемых в рамках темы. Однако наглядность таких установок заметно уступает современному лабораторному исследовательскому оборудованию, так как классическое оборудование не позволяет смотреть на получаемые результаты измерений в динамике, а если быть, точнее, для того чтобы это сделать, необходимо провести затратную по времени ручную обработку полученных данных.

Идея нашего проекта заключается в использовании современных электронно-цифровых лабораторий (ЭЦЛ) в комплекте с электронными конструкторами для разработки лабораторной установки, применяемой для изучения явления электромагнитной индукции. Данная установка позволяет не только продемонстрировать учащимся протекающие в катушке процессы, но и натолкнуть их на самостоятельный поиск ответов на вопрос, как и почему протекают эти явления, а также самостоятельную формулировку законов и правил на основе результатов исследования.

Сегодня существует достаточное количество электронно-цифровых лабораторий, доступных школам и вузам. Мы не ставим целью рассмотреть преимущества и недостатки каждой из них. Учитывая простую интеграцию датчиков Vernier с электронными конструкторами Lego MindStorms NXT и собственный практический опыт, мы остановились именно на этом оборудовании. Таким образом, в данной статье мы рассмотрим использование данного оборудования при изучении тем \”Электромагнитная индукция\”.

Идея заключается в том, чтобы создать переменное магнитное поле за счет движения магнита около сердечника катушки. И посмотреть каким образом магнитное поле воздействует на катушку.

По определению Фарадея, если поток вектора индукции, пронизывающий замкнутый, проводящий контур, меняется, то в контуре возникает электрический ток. Это явление называют явлением электромагнитной индукции, а ток – индукционным. При этом явление совершенно не зависит от способа изменения потока вектора магнитной индукции. Итак, получается, что движущиеся заряды (ток) создают магнитное поле, а движущееся магнитное поле создает (вихревое) электрическое поле и собственно индукционный ток.

Для демонстрации этого явления нами была разработана установка, собранная на основе робота LegoMindStorms NXT и датчиков Vernier, подключенных к ноутбуку, на котором установлено ПО для сбора данных. Общая идея заключается в объединении технологий Lego и Vernier, однако в данной статье представлена версия установки, данные в которой собирает и обрабатывает регистратор LabQuest mini.

Установка представляет собой катушку с сердечником, закрепленную на платформе. Около одного из концов катушки движется постоянный магнит, направленный к катушке северным полюсом. За движение магнита отвечает сервомотор, работой которого управляет программа. К концам катушки подключен датчик разности потенциалов, а у противоположного от магнита конца сердечника находится датчик магнитного поля.

Внимание! Смотрите видео по теме этой статьи! http://www.youtube.com/watch?feature=player_embedded&v=NvfnlwZBhQw

Робот с фиксируемой частотой (частота выводится на экране блока NXT) подносит магнит к сердечнику и удаляет его, таким образом на катушку действует переменное магнитное поле, которое вызывает движение электронов, направление которого описывается правилом Ленца: индукционный ток всегда направлен так, что магнитное поле этого тока препятствует изменению магнитного потока, вызывающего индукционный ток.

Таким образом, можно предположить, что при отведении и приближении магнита направления тока будет изменяться. Катушка имеет постоянное сопротивление, амплитуда колебаний магнита постоянна, следовательно, постоянна и амплитуда колебаний магнитного поля, а из этого следует, что изменение направления тока будет соответствовать изменению знака разности потенциалов на концах катушки каждый раз, когда магнит меняет направления движения по отношению к сердечнику катушки.

Программа для сбора и анализа данных Logger Lite выводит данные в табличной и графической формах. Такое представление данных позволяет наглядно увидеть описанные выше взаимодействия токов и полей.

NB!

Вопросы автору можно задать в консультационном форуме.

Вопросы по использованию цифровых лабораторий и робототехники можно задать в теме \”Олимпиада Современный исследователь\”