Роботизированные лабораторные работы по физике. Пропедевтический курс физики

РОБОТИЗИРОВАННЫЕ 
ЛАБОРАТОРНЫЕ 
РАБОТЫ ПО ФИЗИКЕ

Пропедевтический курс физики

Белиовская Л. Г.
Белиовский Н. А.

Москва, 2023

2-е издание, электронное

УДК 373.016:53
ББК 74.262.23
Б43

Б43
Белиовская, Лидия Георгиевна.
Роботизированные лабораторные работы по физике. Пропедевтический курс 
физики / Л. Г. Белиовская, Н. А. Белиовский. — 2-е изд., эл. — 1 файл pdf : 165 с. — 
Москва : ДМК Пресс, 2023. — Систем. требования: Adobe Reader XI либо Adobe 
Digital Editions 4.5 ; экран 10". — Текст : электронный.
ISBN 978-5-89818-448-3

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. 
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.

УДК 373.016:53 
ББК 74.262.23

Электронное издание на основе печатного издания: Роботизированные лабораторные работы по 
физике. Пропедевтический курс физики / Л. Г. Белиовская, Н. А. Белиовский. — Москва : ДМК 
Пресс, 2016. — 164 с. — ISBN 978-5-97060-378-9. — Текст : непосредственный.

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.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты 
авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-89818-448-3
© Белиовская Л. Г. Белиовский Н. А., 2015  
© Издание, оформление ДМК Пресс, 2016

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 физико-
математические 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 «Учтехпри-
бор»).
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.