新澤西州高技術(shù)高中賽車項目

1、新澤西州高技術(shù)高中（High Tech High School）及賽車項目（NASCAR）簡介HTHS簡介：坐落于紐澤西Brookdale社區(qū)學(xué)院校區(qū)內(nèi)。學(xué)校創(chuàng)辦于1991年，之后，學(xué)校的入學(xué)申請和競爭逐年激烈。每年有75名學(xué)生從超過300多名優(yōu)秀的學(xué)生中挑選出來，共有265名學(xué)生從全縣學(xué)生中進(jìn)入該校。師生比大約是1比12。生均經(jīng)費$14,760，這些學(xué)生能代表整體群體的特征，文化的多樣性，性別以及種族平衡。每班大約60人左右，課程采取學(xué)分制。學(xué)生社團(tuán)包括有：學(xué)術(shù)小組、國際象棋小組、環(huán)境俱樂部、實驗研究小組、擔(dān)任后勤服務(wù)工作的私人俱樂部、數(shù)學(xué)聯(lián)盟、模擬聯(lián)合國、多元文化俱樂部、國家榮譽(yù)協(xié)會、演藝

2、俱樂部、機(jī)器人俱樂部、科學(xué)聯(lián)盟、學(xué)生會、技術(shù)學(xué)生會、校年刊社。HTHS教育宗旨是：一所工程專業(yè)預(yù)備學(xué)院，強(qiáng)調(diào)數(shù)學(xué)、科學(xué)、技術(shù)和人文之間的聯(lián)系，通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)?、專業(yè)化的課程和同伴合作使學(xué)生能成為問題解決者、有效的溝通者、以及未來的領(lǐng)導(dǎo)者。HTHS的信念是：所有的學(xué)生都能擴(kuò)展自己的知識并達(dá)到教育目標(biāo)。有效地交流和人際交往能力對個人成長是十分重要的。安全的和有吸引力的環(huán)境能激發(fā)學(xué)生的卓越表現(xiàn)、培養(yǎng)自信。多樣性能培養(yǎng)學(xué)生對個體的生理、社會和情緒需要的尊重。在瞬息變化的世界里，有效領(lǐng)導(dǎo)要求好奇心、創(chuàng)造力、勇氣以及遵從道德標(biāo)準(zhǔn)。廣博的知識基礎(chǔ)、問題解決策略以及研究能力是成功的關(guān)鍵。利益相關(guān)者之間觀點、知識、才

3、能和資源的分享能擴(kuò)展所有學(xué)生的學(xué)習(xí)機(jī)會。合作能豐富學(xué)生和教職工的教育經(jīng)歷。全面的課程是能提供挑戰(zhàn)和原始研究機(jī)會的課程。基于項目的學(xué)習(xí)以及設(shè)計過程的知識應(yīng)用是工程預(yù)備課程的關(guān)鍵組成部分。項目概述：課程目標(biāo)：運用物理和技術(shù)的知識和技能，以一種充滿刺激和挑戰(zhàn)的方式，在設(shè)計規(guī)范內(nèi)用合適的材料設(shè)計一個賽車，并且參與下列競賽中的一項：1. 短途賽道賽車：賽道長5米，速度最快者獲勝。2. 行駛距離比賽：行駛距離將從具體的起點沿某一方向計算，行駛最遠(yuǎn)者獲勝。比賽時間為2分鐘。細(xì)則：交通工具必須是自行推動的你不可以推、扔或者迫使你的賽車前進(jìn)。所有的比賽將在研究實驗室完成。所有的賽道都是直線形。你有責(zé)任讓你的賽車

4、直線行駛。在起點位置時與車相連的任何材料都被認(rèn)定為是車的組成部分。在短途賽道比賽中，車的尾端完全跨過終點線才算是計時終止時。在行駛距離比賽中，離起點最近的車體部分為確定行駛距離的參照點。所有的賽車，其行駛距離超過3米才算是合格。如果使用不被批準(zhǔn)的材料（例如，熱熔膠）將受到懲罰。附錄1將列出允許使用的材料。任何有意或意外損害了其他隊伍的賽車將有理由得到不合格或者可能全隊55分的結(jié)果。所有賽車大小必須適合置于“工程料倉”內(nèi)（大約181210大小的盒子，參見下頁的圖形）。隨著項目的進(jìn)行，可能提供后期規(guī)章。教育目標(biāo)：正如所有的PoE（Principles of Engineering）項目，賽車項目的

5、學(xué)習(xí)重點是分析和設(shè)計。當(dāng)然，制定以及執(zhí)行計劃也同樣重要。分析涉及你們至今為止所學(xué)的力、功、能量以及功率之間的關(guān)系。類似的PoE課程涉及六種簡單機(jī)械聯(lián)合的結(jié)構(gòu)。在NASCAR賽車中，所有的參賽者必須在相同的引擎規(guī)范下操作。因此，每隊所能獲得的動力資源是相同的。能取得勝利的隊伍將是在賽車整個過程中最能充分利用動力的隊伍。在這個項目中，每隊所使用的動力資源來自一個標(biāo)準(zhǔn)的捕鼠器具體的說是Home Depot生產(chǎn)的Victor牌捕鼠器（4個售價2.4美元）。你們所面臨的工程挑戰(zhàn)要么是將能量盡可能轉(zhuǎn)化為克服摩擦力做的功，使自己的賽車別別人的賽車跑得遠(yuǎn)；要么是產(chǎn)生最大的功率使自己的賽車比別人的賽車跑得快。每

6、個具體的設(shè)計可以考慮不同的設(shè)計要素。你們將被要求呈現(xiàn)自己所有的相關(guān)計算，以證明你選擇的設(shè)計方式優(yōu)于正式開始后的原始設(shè)計。當(dāng)然，在項目設(shè)計階段，原型設(shè)計和模型制造是被允許的。你們將被要求進(jìn)行實驗來確定自己的賽車的摩擦力以及空氣阻力。關(guān)于如何選擇你的賽車材料，你還將學(xué)會一點經(jīng)濟(jì)學(xué)課程?；ㄙM最少的前三名隊伍將獲得PoE的美元獎勵。請參見允許使用的材料的成本列表。工程學(xué)日記：隊伍中每個成員應(yīng)該有自己的日記。除了常規(guī)介紹自己完成的角色外，日記還從以下幾個方面進(jìn)行評價：設(shè)計完善的歷程選擇的設(shè)計以及選擇標(biāo)準(zhǔn)兩者的描述設(shè)計理念的證明（理論上的計算或?qū)嶒灁?shù)據(jù)）項目提交的關(guān)鍵日期“項目”班級會議，2012年2月2

7、4日設(shè)計簡介陳述你選擇的比賽項目及你在應(yīng)用知識時遇到的困難和局限。界定每個小組成員的角色。上交表格提供一份高質(zhì)量的整個項目的計劃書，說明主要活動以及在關(guān)鍵截止日之前可提交的項目成果。第一次班級會議，3月5日設(shè)計反思參見附錄2中的指導(dǎo)第二次班級會議，3月19日合格的行駛賽車必須在賽道條件下至少行駛3米。最終設(shè)計細(xì)節(jié)必須涵蓋以下幾個獨立的部分：設(shè)計決策的過程；所有校準(zhǔn)實驗和試驗的結(jié)果；所有關(guān)于功率和能量的計算；對最終賽車表現(xiàn)的量化預(yù)測；賽車組件和裝配的詳細(xì)的、標(biāo)有尺寸的CAD圖形（2組）；詳細(xì)的組裝計劃，特別是賽車的每個組件以及組裝整個賽車順序的詳細(xì)說明。最終比賽日3月26日：比賽日最終表現(xiàn)測試具

8、體時間安排：二月會面2月20日這周設(shè)計活動: 理解問題完成: 設(shè)計簡介 (包括賽事選擇)課程: 摩擦力與表現(xiàn)2月27日這周設(shè)計活動: 最初設(shè)計完成: 首選設(shè)計課程: 齒輪、滑輪和軸承三月會面3月5日這周設(shè)計活動: 優(yōu)化設(shè)計完成: 設(shè)計評論(展示)課程: 單元復(fù)習(xí)3月12日這周設(shè)計活動: 建造完成: 單元測試課程: 單元測試反饋3月19日這周設(shè)計活動: 資格賽完成: 最終設(shè)計文檔課程: 無3月26日這周設(shè)計活動: 優(yōu)化建造完成: 完整建造賽車現(xiàn)場試驗 (比賽日 !)設(shè)計規(guī)范標(biāo)題頁小組成員和角色設(shè)計說明 (敘述) 設(shè)計目標(biāo) (目標(biāo)值)想法來源最終設(shè)計的選擇 (決策矩陣) 設(shè)計驗證&最優(yōu)化表現(xiàn)預(yù)估表

9、現(xiàn)測驗結(jié)果成本分析結(jié)論或總結(jié)裝配圖 (標(biāo)注規(guī)格)4月2日這周設(shè)計活動：項目收尾星期五開始春休PoE提供的材料：捕鼠器，每隊一個，品牌和規(guī)格相同。你不需要將捕鼠器的價格加入你的賽車成本中。膠水（Elmer的白色學(xué)校膠水或者黃色木材膠水）*塑料齒輪* 紅色款（小） $0.05/每個藍(lán)色款 $0.20/每個黃色款 $0.45/每個綠色款（?。?$0.20/每個綠色款（大） $0.50/每個*你可以使用其他的塑料齒輪（例如，樂高的）。你可以通過比較打算安裝齒輪的面積大小估算齒輪的價格，這適用于所有可獲得的齒輪。以美分為單位的齒輪價格2（以厘米為單位的齒輪直徑）2四舍五入到5*你可以使用其他的膠水，但是

10、絕不可以在PoE教室中使用“熱熔膠”或者“超級膠水”。附錄1 材料及價格細(xì)目表物品描述規(guī)格尺寸價格紙張8.511紙張$0.01每張砂紙8.511紙張$0.10每張鋁箔表面面積$0.005每平方英寸膠帶（所有類型）表面面積$0.005每平方英寸硬紙板體積$0.10每立方英寸細(xì)繩（所有直徑大小）長度$0.01每英寸橡皮筋（非用于動力）非拉伸時的長度$0.01每英寸訂書釘物件$0.001每個曲別針，小&中物件$0.03每個大物件$0.05每個裝訂夾，小物件$0.05每個中物件$0.10每個大物件$0.15每個圖釘物件$0.20每個釘子質(zhì)量$0.02每克螺絲，螺釘，螺母和墊圈質(zhì)量$0.02每克牙簽物件

11、$0.001每個工藝棒（冰棍棒）物件$0.02每個超級工藝棒（壓舌器）物件$0.04每個木桿（截面圓形或方形） 1/8直徑線性長度$0.03每英寸 3/16 直徑線性長度$0.07每英寸 1/4 直徑線性長度$0.12每英寸 5/16 直徑線性長度$0.18每英寸 3/8 直徑線性長度$0.27每英寸 1/2 直徑線性長度$0.48每英寸電線，小于22AWG*線性長度$0.01每英寸18至22AWG線性長度$0.02每英寸14至16AWG線性長度$0.03每英寸10至12AWG線性長度$0.04每英寸吸管（小口徑）長度$0.01每英寸吸管（普通口徑）長度$0.02每英寸氣球（非用于動力）物體$

12、0.05每個卷軸（任何類型）基本體積$0.05每立方英寸激光唱片物件$0.25每個慢轉(zhuǎn)唱片物件$1.00每個蛋裝箱（一打雞蛋大?。┪锛?1.00每個粘土千克$4.00每千克鐵氟龍，或其他的塑料體積$0.03每立方英寸軟飲塑料瓶（空）容量體積$1.00每升筷子或者其他木棒長度（參見木桿價格）鉤和孔（類似螺絲等）質(zhì)量$0.02每克*AWG：美國線規(guī)縮寫附錄2設(shè)計反思的指導(dǎo)和要求設(shè)計呈現(xiàn)在最終表現(xiàn)測驗前你們有大約三星期的時間，每隊將被要求進(jìn)行5分鐘的“設(shè)計反思”展示，其他隊伍將對你們組的設(shè)計的優(yōu)缺點進(jìn)行評價。這次活動的目的是為了提高所有設(shè)計的質(zhì)量。參與反思的別組聽眾可以將點子帶回整合入自己的設(shè)計中。

13、展示將從以下幾方面被評價：內(nèi)容（設(shè)計概念，操作，遇到的具體問題和解決辦法）理解（隊伍將接受聽眾的挑戰(zhàn)，回答問題展現(xiàn)自己的理解程度）表達(dá)（展示的清晰度和邏輯性）形式至多4張幻燈片（包括隊伍名稱，成員等）至多5分鐘陳述至多3分鐘問答內(nèi)容設(shè)計概述設(shè)計目標(biāo)（長賽道或短賽道）方法（設(shè)計基礎(chǔ)）組件圖畫或輪廓主要解決的問題識別關(guān)鍵操作難題解決方式的計算或原型還沒解決的重大問題（若有的話）附錄3 評價量表目標(biāo)（10分）：任何關(guān)于車的效率或與理論相比較/能量損失的內(nèi)容，只提到得出賽車最終速率的給8分建造賽車的材料以及搜集關(guān)于車的數(shù)據(jù)（15分）：7分用于任何用于賽車的材料（根據(jù)賽車），8分用于搜集數(shù)據(jù)的材料必須提

14、到一些計時器、測距工具&質(zhì)量測量（全8分須提到計時器、尺子、天平或者彈簧秤）（須提到軟件、界面等）收集賽車的實驗數(shù)據(jù)以及確定最終速率的方法（15分）5分從坡道放下（不推動，選擇確定點釋放，計算c和m的變化高度。）5分記錄通過光電管的時間，而不是記錄車從斜坡隨意下滑（記錄2次離開計算機(jī)的結(jié)果。）5分如何確定斜坡高度（測量c和m？其他的細(xì)節(jié)）數(shù)據(jù)表，包括搜集的原始數(shù)據(jù)以及所有計算的結(jié)果（20分）10分時間，距離、質(zhì)量和高度10分計算的速率或者KEs（包括理論值&實驗值）符號形式的所有計算以及代入數(shù)值，包括整式（20分）實驗 v（5分）理論值 V（15分，其中GPE得5分，慣性力矩得5分，V=ome

15、ga x r得5分；或者，直接得出v=平方rt（2gh/n+1）數(shù)據(jù)搜集過程的誤差來源（10分）每個誤差來源得3分得出結(jié)論，比較預(yù)期速率與實驗最終速率，判斷你的賽車設(shè)計是否需要改進(jìn)！（10分）姓名_目標(biāo)：10分，提到效率/能量損失：8分，只提到確定最終速率“v”材料：7分，賽車材料；8分，搜集賽車數(shù)據(jù)所需的材料（必須包括計時器、尺子、天平、電腦界面的eqt）方法：5分，“從斜面釋放賽車”（描寫了任何細(xì)節(jié)（沒有施加推力）；5分，計時（描寫細(xì)節(jié)關(guān)于光電管或從斜道滑行開始計時）；5分，測量斜坡的高度（描寫細(xì)節(jié)，車c和m）數(shù)據(jù)表：10分，原始數(shù)據(jù)（時間，質(zhì)量，距離）；10分，計算結(jié)果至少2種方式得到最

16、終速率或者兩種方式得到KE計算：實驗v值（5分），理論v值（15分，通過解方程或者通過GPE的中間計算可以得到v=平方rt（2gh）/n+1（5分），慣性力矩（5分），omega=v/r（5分）誤差源：3分每個（不包括數(shù)學(xué)錯誤）：一共10分結(jié)論（10分）：任何關(guān)于實驗質(zhì)量的合理解釋（如何比較不同的V或者KE？這合理嗎？這說明了賽車的設(shè)計什么？）項目指導(dǎo)3人一組的小隊將設(shè)計和制造一個捕鼠器驅(qū)動的模具車，參加兩種賽車中的一種比賽。最短時間完成5米賽道2分鐘最長距離行駛材料選擇的具體規(guī)則，允許對捕鼠器進(jìn)行改進(jìn)。參加PoE Bucks的賽車必須首先完成“達(dá)標(biāo)”賽道。一個完整的設(shè)計文檔，包括“摩擦力測試

17、”的結(jié)果，需要在賽車運行達(dá)標(biāo)后完成。請參閱PoE論壇網(wǎng)站上的項目介紹獲取詳細(xì)信息。必須完成的能量損失實驗在特定的距離里測量由摩擦力導(dǎo)致的能量損失：進(jìn)行由Martino博士描述的實驗：測量質(zhì)量和每個車輪的半徑測量整個賽車有車輪和車輪時的質(zhì)量計算你期待小車從小坡下滑所產(chǎn)生動能測量你的小車從小坡下滑實際產(chǎn)生的動能分析和優(yōu)化你的設(shè)計比較小車在坡頂?shù)臅r候的重力勢能以及存貯在賽車捕鼠器的彈性勢能形成基于能力轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型來預(yù)估你的賽車表現(xiàn)比較模型預(yù)估的以及實際情況的表現(xiàn)識別差異的來源以及提出解釋這些的方法測量距離測量高度關(guān)鍵日期簡單設(shè)計 2月24日設(shè)計評論 3月第一個星期設(shè)計規(guī)范 3月第三個星期資格試驗

18、3月第三個星期比賽日! 三月的最后一個星期核心任務(wù)項目經(jīng)理 (規(guī)劃許多事情)、決策矩陣以及賽道選擇摩擦力測驗資格賽比賽日!總工程師 (完成大量計算)理論上捕鼠器的機(jī)械優(yōu)勢理論上小車的速度和行駛距離根據(jù)摩擦力進(jìn)行的糾正施工工程師 (許多原型建模工作)實施計劃規(guī)劃建構(gòu)&時間安排設(shè)計最優(yōu)化組員&角色初步設(shè)計活動研究 /選擇標(biāo)準(zhǔn)首選設(shè)計屬性最終設(shè)計基本建構(gòu)關(guān)鍵特征操作概述問答PLTW 展示要求內(nèi)容 (見右)組織 (見右)表達(dá) (最多2個組員)展現(xiàn) (見右)時間管理 (最多10分鐘)我們主要的目的是知道你的解決方式（你為什么選擇這個設(shè)計，它如何工作等等）以及依靠集體的力量給你們提出可能的改良建議。賽車表

19、現(xiàn)評定（包括實驗室作業(yè)）PoE賽車項目的補(bǔ)充作業(yè)一般方法基能量守恒進(jìn)行計算將存在彈簧中的彈性勢能轉(zhuǎn)化成小車的動能對最初的計算，假設(shè)能量是100%轉(zhuǎn)換。通過考慮以下因素精致你的計算從捕鼠器中提取能量的效率損失因為阻力（例如：摩擦力）帶來的損失選擇符合你的設(shè)計意圖的數(shù)學(xué)模型對于速度比賽，模型應(yīng)該首先重視如何將動能最大化，其次是輪子停止旋轉(zhuǎn)達(dá)到5米距離（輪子停止旋轉(zhuǎn)后滑行完成未完部分）對于距離比賽，模型應(yīng)最小化因為摩擦力等導(dǎo)致的能量損失，并在捕鼠器仍耦合在驅(qū)動軸上時最大化平移和旋轉(zhuǎn)動能。賽車動能賽車的總動能是總平移動能加上主要部件的旋轉(zhuǎn)動能。平移動能= Mv，其中M是賽車的總質(zhì)量，包括輪子，v是小車

20、質(zhì)心的線速度（速率？）旋轉(zhuǎn)動能= I，其中l(wèi)是旋轉(zhuǎn)部分（主要是輪子）的慣性動能，w是那些部分的角速度。滾動輪子的動能將輪子近似看做唱片，擁有質(zhì)量m以及半徑R一張唱片的“慣性動能”為I = mR在一個完整的旋轉(zhuǎn)過程中，輪子的軸將前進(jìn)2R的距離。因此如果角速度是弧度/每秒，平移速度為v = R。因此，旋轉(zhuǎn)動能為 I = ( mR)(v/R) = mv.將旋轉(zhuǎn)動能加上平移動能得到“轉(zhuǎn)動而不是滑行的”輪子的總動能：mv + I = mv + mv = mv。要得到賽車的總動能，需要加上所有的旋轉(zhuǎn)輪子的旋轉(zhuǎn)動能和整個賽車的平移動能。測量你的賽車的摩擦影響的兩種方法使用彈簧秤直接測量這種測量的精確性受限于彈簧稱的精確性，而且可能并沒有包括空氣阻力的影響。通過行駛已知的距離測量能量損