XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Интерактивный аттракцион-парк "Экспериментариум"

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ильичева Я. 1Манихина Л. 1Уткина А. 1Шунерова М. 1

---

1Международная школа "Источник"

Абрамов А.С. 1

---

1Международная школа "Источник"

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Глава 1. Описание проекта

Актуальность проекта. Современный мир невозможно представить без техники и автоматики. Нам стало интересно узнать, как работают сложные механизмы. Оказывается, в их основе лежат простые законы физики. Мы решили создать свой собственный интерактивный парк аттракционов «Экспериментариум», где разные силы природы — магнитные, механические, оптические и электрические — работают вместе, как одна дружная команда. Этот проект помогает понять, что наука — это не только скучные формулы из учебников, но и увлекательная игра-конструктор.

Проект выполнен на основе пройденных тем по курсу «Занимательная физика» для начальной школы в период с 01.09.2025 по 31.05. 2026 г.

Объект исследования: законы физики (магнетизм, механика, оптика, электричество).

Предмет исследования: процесс передачи энергии между независимыми модулями в единой замкнутой системе.

Цель проекта: создать действующую модель интерактивного парка аттракционов «Экспериментариум» из четырех соединяемых модулей и доказать на практике, что один вид энергии может бесконтактно запускать другой.

Гипотеза исследования. Мы решили проверить: а что будет, если соединить разные физические явления в одну цепочку? Оказалось, получится настоящая автоматическая машина! Достаточно лишь слегка толкнуть маленький металлический шарик — и он сам запустит целое шоу, которое работает строго по законам физики!

Задачи проекта:

1. Узнать как разные силы природы (магнитные, механические, световые и электрические) могут объединиться в одну систему.

2. Спроектировать и собрать в школьной лаборатории четыре действующих модуля: магнитную пушку, механическую спираль, оптический лабиринт и электронную схему.

3. Сделать надежными точки соединений между модулями для правильной работы всей цепочки.

4. Провести испытания интерактивного парка «Экспериментариум», зафиксировать результаты на фото и представить проект на конкурсе «Старт в науку».

Методы исследования:

1. Анализ информации и подбор материалов.

2. Моделирование и конструирование.

3. Эксперимент (тестовые запуски модулей в лаборатории).

4. Наблюдение и фотофиксация результатов.

Практическая значимость. Наш макет «Экспериментариум» можно использовать в школе на уроках окружающего мира и занимательной физики в качестве наглядного пособия. Он просто и интересно объясняет сложный закон сохранения и превращения энергии ребятам из начальной школы.

Глава 2. Практическое создание интерактивного парка "Экспериментариум"

1. Общий вид

Наш парк представляет собой единую научно-техническую экосистему, состоящую из четырех последовательных модулей. Цель сборки — продемонстрировать, как один физический процесс запускает другой, иллюстрируя закон сохранения и превращения энергии.

Рис. 1. Модули парка «Экспериментариум».

Рис. 2. Реальный вид парка «Экспериментариум». Модули соединены

Этап 1: Магнитные явления. Пусковой шарик притягивается неодимовым магнитом. Энергия передается по цепочке, и финальный шарик вылетает с ускорением.

Этап 2: Механические явления. Шарик двигается по спиральной трассе под действием гравитации. В конце пути он механически замыкает контакты лазера.

Этап 3: Оптические явления. Световой лазерный луч управляется с помощью зеркал (отражение) и переносит энергию на расстояние без проводов.

Этап 4: Электрические явления. Направленный луч активирует датчик света (фоторезистор) в электронной схеме конструктора "Знаток". Электрический ток замыкает цепь, запуская финальный световой эффект.

2. Описание модулей

Модуль 1. Магнитная пушка.

Исследователь магнетизмаМария Шунерова.

Рис. 3. Магнитная пушка.

Физические явления: Магнетизм, магнитное поле, передача импульса, кинетическая энергия.

Используемое оборудование: Жесткий горизонтальный рельс-направляющая, постоянные неодимовые магниты, стальные подшипниковые шарики.

Описание конструкции и принципа работы. Модуль представляет собой пусковой элемент всего парка аттракционов. На горизонтальной части неманитного рельса неподвижно закреплены сверхмощные неодимовые магниты. С одной стороны (направленной к следующему модулю) к магнитам вплотную прижаты два стальных шарика-снаряда.

Запуск происходит за счет плавного скатывания пускового шарика с наклонной стороны рельса. Как только шарик попадает в зону действия мощного магнитного поля, магнит резко притягивает и ускоряет его. Пусковой шарик с силой ударяется о магнит. В этот момент происходит передача импульса: энергия удара мгновенно проходит сквозь магнит, первый и второй шарики. В результате самый крайний стальной шарик мгновенно срывается с места и с высокой скоростью вылетает вперед. При этом энергия магнитного поля совершает работу и превращается в кинетическую энергию движения.

Модуль 2. Механическая спираль

Инженер-механик Яна Ильичева

Рис. 4. Винтовая спираль. Справа изображена ее соединение с магнитной пушкой

Физические явления: Гравитация (сила тяжести), потенциальная и кинетическая энергия, инерция, центробежная сила, механика рычага.

Используемое оборудование: Устойчивая вертикальная опора, утяжеленная песком, пластиковая приемная воронка, прозрачный спиральный трек из ПВХ шланга, деревянный рычаг-переключатель, мощная зеленая лазерная указка.

Описание конструкции и принципа работы. Этот модуль отвечает за прием летящего шарика, управление его скоростью и запуск световой энергии. Он состоит из трех узлов:

1. Приемный узел «Баскетбольное кольцо». На вершине модуля вертикально установлена широкая пластиковая воронка. Она перехватывает скоростную и нестабильную траекторию полета стального шарика из первого модуля. Шарик падает в воронку сверху, теряет лишний импульс и плавно направляется в трек.

2. Спиральный спуск. Попав в прозрачный шланг, закрученный по спирали вокруг опоры под углом приблизительно 30 градусов, шарик начинает катиться вниз. Здесь наглядно работает сила тяжести: потенциальная энергия высоты превращается в кинетическую энергию плавного движения. Центробежная сила удерживает тяжелый подшипниковый шарик внутри трека, стабилизируя его скорость. На выходе из спирали шланг направлен строго вертикально вниз.

3. Магнитный капкан - узел вертикального прижима. Механизм включения лазера представляет собой наклонную балку-пресс (линейку), закрепленную с одного конца. Стальной шарик падает из спирали строго вертикально на закрепленную линейку с плоским сильным магнитом в форме таблетки. Стальной шарик притягивается к магниту. Его кинетическая энергия и вес бьют в одну точку балки. Благодаря жесткой конструкции балка не прогибается, а перенаправляет и распределяет всю силу давления точно на маленькую площадь кнопки лазера, обеспечивая её надежное и плавное нажатие. Мощный зеленый луч вырывается вперед, активируя следующий модуль.

Модуль 3. Световой лабиринт

Заведующая лабораторией оптики Лукерья Манихина.

Рис. 5. Зеркальный лабиринт (слева). Переотражения луча в лабиринте (справа)

Физические явления: Геометрическая оптика, закон отражения света, преломление света в прозрачных средах, направленная передача световой энергии.

Используемое оборудование: горизонтальное основание, мощная зеленая лазерная указка, 4 плоских зеркала на регулируемых пластилиновых опорах, аквариум с водой.

Описание конструкции и принципа работы. Модуль демонстрирует, как с помощью законов оптики можно управлять световым лучом, менять его направление в пространстве и использовать свет в качестве бесконтактного переключателя. Весь модуль собран на единой платформе, что исключает смещение элементов от вибраций.

Работа модуля делится на три ключевых этапа:

1. Генерация луча. Магнитная ловушка принимает металлический шарик и активирует кнопку включения лазера. Луч идет горизонтально, строго параллельно поверхности стола на безопасной для глаз высоте (5–7 см).

2. Закон отражения (световой зигзаг). На пути луча последовательно установлены плоские зеркала с настроенными углами наклона друг относительно друга. Здесь на практике доказывается главный закон геометрической оптики: угол падения луча равен углу его отражения. Отражаясь от первого зеркала, зеленый луч поворачивает на 90 градусов, попадает на второе зеркало и направляется дальше, образуя эффектный световой лабиринт. Подвижные основания зеркал позволяют осуществлять микрорегулировку углов прямо во время демонстрации.

3. Преломление света. Перед выходом из лабиринта лазерный луч проходит сквозь аквариум с водой. Здесь можно визуально разглядеть зеленую полоску луча из-за многочисленных переотражений света от частичек жидкости. Если траектория луча отклонится от горизонтальной, то на границе воздух-вода луч будет преломляться. В наших опытах мы это наблюдали. Однако, для правильной работы парка нам необходимо поддерживать именно горизонтальную траекторию лазерного луча. В завершающей стадии луч выходит из модуля и бьет точно в цель — в светочувствительный элемент финального электронного блока.

Важно: при проведении эксперимента соблюдались правила техники безопасности. Луч лазера направлялся строго ниже уровня глаз участников и зрителей.

Модуль 4. Электрическая цепь (на примере конструктора «Знаток»)

Главный инженер-энергетик Амелия Уткина

Рис. 6. Сборка электрической схемы (слева). Попадание лазерного луча на фоторезистор приводит к зажиганию финального индикатора об успешном запуске (справа

Физические явления: электрический ток, замкнутая электрическая цепь, преобразование световой энергии в электрическую.

Используемое оборудование: монтажная плата, источник питания (две батарейки 1.5 В), фоторезистор, красный светодиод, соединительные провода-пластины. Детали взяты из электронного конструктора «Знаток».

Описание конструкции и принципа работы. Финальный модуль отвечает за успешное завершение работы всего парка аттракционов и наглядно демонстрирует принципы современной автоматики. На монтажной плате собрана управляемая светом электрическая цепь. Главным «умным» элементом схемы является фоторезистор — специальная деталь, которая меняет свои свойства под воздействием света. В темноте или при обычном комнатном освещении фоторезистор имеет большое сопротивление и работает как запертый замок, практически не пропуская электрический ток от батареек к внешней цепи. Схема находится в режиме ожидания, в парке тишина. Если свет начинает падать на фоторезистор, то он начинает мгновенно открываться и пропускать ток.

Финал эксперимента происходит мгновенно бесконтактным способом:

1. Замыкание цепи (фотоэффект). Преломленный зеленый луч лазера из модуля 3 падает точно на чувствительное окошко фоторезистора. Под действием мощного светового потока сопротивление фоторезистора резко падает и он «открывается».

2. Движение тока. Электрическая цепь становится замкнутой. Ток от батареек устремляется по проводам к исполнительным элементам.

3. Световой финал (хотелось и звуковой, но мы над этим работаем). Ток активирует световую линию. Загорается яркий красный светодиод, который служит световым индикатором успешного запуска.

Пояснение к механизму преобразованиям энергии в интерактивном парке «Экспериментариум»

В основу работы нашего интерактивного аттракцион-парка «Экспериментариум» положен фундаментальный закон сохранения и превращения энергии. Главная научная идея проекта заключается в том, что энергия в природе не исчезает и не появляется из ниоткуда, а последовательно переходит из одного вида в другой. В нашей конструкции стальной подшипниковый шарик и направленный лазерный луч играют роль «курьеров», которые бесконтактно передают эстафету движения от самого старта до светового финала.